盤式永磁電動機換向結構的設計

褚先章

(寧波海天驅動有限公司，浙江寧波315801)

0 引 言

盤式永磁電動機又稱軸向磁場電動機。1821年，法拉第發明的世界上第一臺電機就是軸向磁場盤式永磁電機。限于當時的材料和工藝水平，盤式永磁電機未能得到進一步發展。然而，由于盤式永磁電動機具有良好的散熱條件、結構簡單、體積小、功率密度高等特點，已重新獲得市場的青睞，并在電動汽車和軍工等領域占有重要地位。

1 盤式永磁電動機的換向結構

在盤式永磁電動機各種分類中，帶換向結構的盤式永磁直流電動機，具有使用方便、性價比高、容易實現低壓大電流特點，成為盤式永磁電動機領域的一個重要分支。

換向性能是盤式永磁直流電動機的主要性能指標。良好的換向結構，可以降低換向元件間的接觸電阻和接觸電壓，減少甚至避免換向火花的產生，降低換向損耗，提高電機的效率和壽命。

目前，國內絕大多數的盤式永磁直流電動機均采用“電刷+換向器+繞組”的換向結構。為簡化電機結構，提高效率，我們對一款盤式永磁直流電動機設計了新的換向結構，其關鍵零部件的結構簡圖如圖1所示。圖1中省略了轉軸和轉子鐵心等零件，以便視圖簡潔明了。

圖1 關鍵零部件的結構簡圖

從圖1中不難發現，電機的電刷與成型電樞繞組直接接觸，電機的換向過程僅僅在電刷和成型電樞繞組之間產生，整個換向結構無換向器部件，巧妙地利用電樞繞組的成型線圈直接與電刷接觸進行電流換向。

2 換向結構的主要優缺點

2.1 優點

換向結構的改進，可以簡化電機的結構，提高電機的工作特性。主要有以下幾點:

(1)簡化加工工藝。去掉換向器零件后，電機的裝配工藝得到簡化。

(2)降低整機成本。

(a)由于無換向器部件，所以材料成本減少。

(b)裝配工藝得到簡化，降低了人工成本。

(3)電機性能得到改善。

(a)效率提高。去掉換向器零件后，電機的電路相應縮短，而且減少了換向器與繞組間的接觸電阻，所以電機的銅損耗和接觸損耗降低，提高了電機的效率。

(b)溫升降低。由于電機銅損耗和接觸損耗降低，效率得到提高，所以在同樣的輸出條件下，電機的溫升必然降低。

(c)體積縮小，重量減輕。簡化換向結構后，電機的內部可以設計得更加緊湊，安裝空間縮小，特別適用于對安裝空間要求較高的領域，如電動汽車、魚雷等等前沿行業。

(d)超高的功率密度比。以我公司的一款產品為例，殼體的直徑和厚度分別為210 mm和70 mm，整機的重量不到13 kg，而電機功率卻達到13 kW。

2.2 缺點

由于換向結構的改動，電機轉子的整體結構和加工工藝需要全新設計和調整，對電機設計人員的專業知識和經驗都是一個考驗;并且由于該方案對電機結構有較大變動，所以需要對樣機進行多次測試和反復驗證，以保證電機的性能和可靠性符合規定要求。

綜合而論，新設計的盤式永磁電動機的換向方案，即優化了電機的內部結構，使電機的整體結構更加緊湊，又可減少整機的外形尺寸和重量，所以具有尺寸小、結構緊湊、節省成本等優點。