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[摘 要] 永磁无刷电动机是机电一体化产品，是多学科技术相结合的产物。逐渐成为目前微特电机的发展主流。本文对对无刷电机的技术发展及研究进行了阐述。
[关键词] 永磁无刷电动机 技术发展 设计
1.概述
近年来，由于磁性材料、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的迅速发展，永磁无刷电动机具有高
效率低能耗、高出力省材料、高性能高可靠、小尺寸轻重量等特点，已广泛应用于工厂自动化、办公自动化、家庭自动化、现代交通运输、电子信息产业、现代农业、现代军事装备等领域，其数量和品种发展很快，逐渐成为目前微特电机的发展主流。对无
刷电机的研究集中以下方面。
2.设计手段不断完善，设计理论不断充实
永磁无刷电动机作为新型机电一体化产品，尤其是新材料、驱动技术及控制技术的发展和应用，都给永磁无刷电动机领域带来新的发展理念。无刷电动机的性能建立在无刷电动机与驱动器的匹配之上，不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法，必须建立新的设计概念，对无刷电动机及其驱动器进行综合分析。
2.1设计手段不断完善．
随着计算机技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不断完善，形成了以电磁场数值计算、等效磁路解析求解、场路结合求解等一整套分析研究方法和计算机辅助分析、设计软件。
这些软件除了对电机进行电磁设计，还可对电机在改变槽形、绕组、材料等设计变量改变情况下多方案比较分析、电磁场精确计算和电机多目标优化设计，并包括控制电路，控制算法在內的整个设计流程。既可以提供任意时刻电机内电磁场分布数据，又能对电机工作时所关心的各类运行曲线如转矩、转速、电流、功率、效率等提供结果，同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标参数；并可完成电机的各类正常工况和故障工况的仿真实验，包括启动、堵转、突加突减负载、突然短路等等。完成各类电机控制器的设计、分析、仿真，实现系统级(含电机、驱动、控制和负载)的仿真，并最终可在计算机上完成虚拟样机的系统试验。
2.2分数槽技术的应用日益增多
分数槽绕组在多极的大型水轮发机、低速同步电动机中广泛应用，在一些异步电动机设计中也得到应用。在这些交流电机中，采用分数槽绕组技术解决了电机极数多与槽数有限的矛盾。永磁无刷电动机本质上是一种交流电机，分数槽绕组技术在永磁无刷电动机应用已逐渐增多。
对于多极的无刷电动机采用分数槽绕组，可以较少的定子槽数，达到多槽能达到的效果。采用分数槽绕组有以下优点：
a)电机电枢槽数大为减少，有利于槽利用率的提高；
b)较少数目的元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本；
c)有可能得到线圈节距Y=1的设计(集中绕组)，便于采用自动绕线机绕制，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺，提高工效，提高生产率。同时各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘；
d)线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短，电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，提高了电动机的性能。．
采用分数槽绕组的磁动势谐波远大于整数槽绕组，这是分数槽绕组在无刷电动机应用的一个特殊问题。
3.工艺不断改进
新材料、新技术的应用，设计理论的发展以及市场对无刷电机的推动，使无刷电机的结构不断增多，工艺不断革新。
3.1新结构电机不断出现
高性能磁性材料的发展，使大气隙结构电机成为可能。出现了诸如永磁无刷力矩电动机、永磁无铁心无刷电动机、永磁盘式无刷电动机、永磁无槽无刷电动机等采用不同工艺制造的无刷电动机。
无刷力矩电动机的用途与直流力矩电动机相同。在控制系统中，它也可直接驱动机械负载，常工作于低速，可长期堵转工作。电动机转子直接驱动负载，省掉了中间的传动机构，不但使其结构简化，又可以提高系统精度。
无刷力矩电动机工作原理与无刷电动机完全相同，也有矩形波控制和正弦波控制两种工作方式，只不过它的最高工作转速通常在每分钟数百转之内，在设计上追求堵转下有较大输出力矩和尽可能小的输入功率，追求力矩／重量比。由于需要较低的额定转速和较大的输出力矩，
无刷力矩电动机常设计成有较多的极对数和较大的直径／长度比；和直流力矩电动机相仿，常采用分装式结构。位置传感器可采用霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器等。
INLAND公司、AXSYS公司等均有无刷力矩电机系列产品，电机外径21mm～4000mm，转矩0.1N.m～1000N．m，内、外转子，多达近百种规格。图3为内、外转子无刷力矩电机示意图。
a)内转子无刷力矩电机 b)外转子无刷力矩电机
图3无刷力矩电机示意图
无铁心无刷电动机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能优越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行；由于电枢无铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，消除了由齿槽效应带来的转矩波动，具有优异的控制性能；运行、效率高、温升低、转速范围广；电机的电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载运行时，噪声及振动都很低。
根据电机用途不同，无铁心无刷电机可采用轴向磁场结构和径向磁场结构。轴向磁场结构的无铁心无刷电机，电枢绕组径向按一定规律分布，在专用模具中固化成形，电枢两侧均为盘状转子体，转子磁体为轴向磁化，两侧转子可同时布置永磁体磁极及转子轭。成双励磁转子结构，也可一侧布置永磁体磁极而另一侧布置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构的无铁心无刷直流电机，电枢绕组轴向按一定规律分布成筒状，其电枢内、外圆处均为筒状转子体，转子磁极为径向磁化，内、外圆可同时布置永磁体磁极及转子轭，成双励磁转子结构，也可在其中一个圆周上布置永磁体磁极，而另一圆周上只布置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构和轴向磁场结构均可根据要求制造成内转子和外转子结构。图4为径向磁场结构的无铁心无刷电动机典型结构示意图。
1后端盖组件；2传感器组件；3轴组合；4机壳；5轴承
图4无铁芯无刷电动机结构图
无铁心无刷电机定子绕组的绕制必须保证绕组元件位置正确，保证多相绕组在空间对称分布。电枢固化采用专门的模具和工艺，确保电枢尺寸符合要求。
典型盘式无刷电动机定子、转子均为圆盘形，采用轴向气隙磁场，可做成有铁心和无铁心两种结构，定子绕组呈径向分布。
无刷电动机采取盘式结构，轴向尺寸短、结构紧凑，被广泛地用于视听设备、计算机外部设备和信息处理机械等领域。
将无槽结构引入到无刷电动机中，做成无槽结构无刷电动机，同样消除了齿槽效应，具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、电枢电感小、定位干扰力矩小等一系列优点，成为很有发展前景的无刷电动机。
小直径的电动机，无槽结构能获得比有槽结构更大的转矩指标；在特殊条件下，例如要求电动机的转矩和功率相对不大，对电动机的体积限制不严，而对电动机的控制要求很高的情况下，采取无槽结构会获得好的效果。
国内无槽无刷电动机已有系列产品，功率范围至3kW，最高转速可达20000r/min，机座号从以￠28～￠190。
4.结论
先进设计工具的运用，可对各种无刷电机进行有效分析与仿真；高性能永磁材料的采用，提高了效率，节省了材料，缩小了体积，减轻了重量；各种新的转子磁路结构出现，使各种特殊结构、特定用途的无刷电动机成为可能。我国无刷电动机已有了较好的技术基础和物质基础，国内外有较大市场需求，无刷电动机产业充满发展机会。
参 考 文 献
[1]谭建成，无刷直流电动机技术发展动向，电气技术。2006(7)
[2]唐任远等，现代永磁电机理论与设计，北京：机械工业出版社。2005■
[关键词] 永磁无刷电动机 技术发展 设计
1.概述
近年来，由于磁性材料、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的迅速发展，永磁无刷电动机具有高
效率低能耗、高出力省材料、高性能高可靠、小尺寸轻重量等特点，已广泛应用于工厂自动化、办公自动化、家庭自动化、现代交通运输、电子信息产业、现代农业、现代军事装备等领域，其数量和品种发展很快，逐渐成为目前微特电机的发展主流。对无
刷电机的研究集中以下方面。
2.设计手段不断完善，设计理论不断充实
永磁无刷电动机作为新型机电一体化产品，尤其是新材料、驱动技术及控制技术的发展和应用，都给永磁无刷电动机领域带来新的发展理念。无刷电动机的性能建立在无刷电动机与驱动器的匹配之上，不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法，必须建立新的设计概念，对无刷电动机及其驱动器进行综合分析。
2.1设计手段不断完善．
随着计算机技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不断完善，形成了以电磁场数值计算、等效磁路解析求解、场路结合求解等一整套分析研究方法和计算机辅助分析、设计软件。
这些软件除了对电机进行电磁设计，还可对电机在改变槽形、绕组、材料等设计变量改变情况下多方案比较分析、电磁场精确计算和电机多目标优化设计，并包括控制电路，控制算法在內的整个设计流程。既可以提供任意时刻电机内电磁场分布数据，又能对电机工作时所关心的各类运行曲线如转矩、转速、电流、功率、效率等提供结果，同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标参数；并可完成电机的各类正常工况和故障工况的仿真实验，包括启动、堵转、突加突减负载、突然短路等等。完成各类电机控制器的设计、分析、仿真，实现系统级(含电机、驱动、控制和负载)的仿真，并最终可在计算机上完成虚拟样机的系统试验。
2.2分数槽技术的应用日益增多
分数槽绕组在多极的大型水轮发机、低速同步电动机中广泛应用，在一些异步电动机设计中也得到应用。在这些交流电机中，采用分数槽绕组技术解决了电机极数多与槽数有限的矛盾。永磁无刷电动机本质上是一种交流电机，分数槽绕组技术在永磁无刷电动机应用已逐渐增多。
对于多极的无刷电动机采用分数槽绕组，可以较少的定子槽数，达到多槽能达到的效果。采用分数槽绕组有以下优点：
a)电机电枢槽数大为减少，有利于槽利用率的提高；
b)较少数目的元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本；
c)有可能得到线圈节距Y=1的设计(集中绕组)，便于采用自动绕线机绕制，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺，提高工效，提高生产率。同时各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘；
d)线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短，电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，提高了电动机的性能。．
采用分数槽绕组的磁动势谐波远大于整数槽绕组，这是分数槽绕组在无刷电动机应用的一个特殊问题。
3.工艺不断改进
新材料、新技术的应用，设计理论的发展以及市场对无刷电机的推动，使无刷电机的结构不断增多，工艺不断革新。
3.1新结构电机不断出现
高性能磁性材料的发展，使大气隙结构电机成为可能。出现了诸如永磁无刷力矩电动机、永磁无铁心无刷电动机、永磁盘式无刷电动机、永磁无槽无刷电动机等采用不同工艺制造的无刷电动机。
无刷力矩电动机的用途与直流力矩电动机相同。在控制系统中，它也可直接驱动机械负载，常工作于低速，可长期堵转工作。电动机转子直接驱动负载，省掉了中间的传动机构，不但使其结构简化，又可以提高系统精度。
无刷力矩电动机工作原理与无刷电动机完全相同，也有矩形波控制和正弦波控制两种工作方式，只不过它的最高工作转速通常在每分钟数百转之内，在设计上追求堵转下有较大输出力矩和尽可能小的输入功率，追求力矩／重量比。由于需要较低的额定转速和较大的输出力矩，
无刷力矩电动机常设计成有较多的极对数和较大的直径／长度比；和直流力矩电动机相仿，常采用分装式结构。位置传感器可采用霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器等。
INLAND公司、AXSYS公司等均有无刷力矩电机系列产品，电机外径21mm～4000mm，转矩0.1N.m～1000N．m，内、外转子，多达近百种规格。图3为内、外转子无刷力矩电机示意图。
a)内转子无刷力矩电机 b)外转子无刷力矩电机
图3无刷力矩电机示意图
无铁心无刷电动机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能优越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行；由于电枢无铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，消除了由齿槽效应带来的转矩波动，具有优异的控制性能；运行、效率高、温升低、转速范围广；电机的电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载运行时，噪声及振动都很低。
根据电机用途不同，无铁心无刷电机可采用轴向磁场结构和径向磁场结构。轴向磁场结构的无铁心无刷电机，电枢绕组径向按一定规律分布，在专用模具中固化成形，电枢两侧均为盘状转子体，转子磁体为轴向磁化，两侧转子可同时布置永磁体磁极及转子轭。成双励磁转子结构，也可一侧布置永磁体磁极而另一侧布置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构的无铁心无刷直流电机，电枢绕组轴向按一定规律分布成筒状，其电枢内、外圆处均为筒状转子体，转子磁极为径向磁化，内、外圆可同时布置永磁体磁极及转子轭，成双励磁转子结构，也可在其中一个圆周上布置永磁体磁极，而另一圆周上只布置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构和轴向磁场结构均可根据要求制造成内转子和外转子结构。图4为径向磁场结构的无铁心无刷电动机典型结构示意图。
1后端盖组件；2传感器组件；3轴组合；4机壳；5轴承
图4无铁芯无刷电动机结构图
无铁心无刷电机定子绕组的绕制必须保证绕组元件位置正确，保证多相绕组在空间对称分布。电枢固化采用专门的模具和工艺，确保电枢尺寸符合要求。
典型盘式无刷电动机定子、转子均为圆盘形，采用轴向气隙磁场，可做成有铁心和无铁心两种结构，定子绕组呈径向分布。
无刷电动机采取盘式结构，轴向尺寸短、结构紧凑，被广泛地用于视听设备、计算机外部设备和信息处理机械等领域。
将无槽结构引入到无刷电动机中，做成无槽结构无刷电动机，同样消除了齿槽效应，具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、电枢电感小、定位干扰力矩小等一系列优点，成为很有发展前景的无刷电动机。
小直径的电动机，无槽结构能获得比有槽结构更大的转矩指标；在特殊条件下，例如要求电动机的转矩和功率相对不大，对电动机的体积限制不严，而对电动机的控制要求很高的情况下，采取无槽结构会获得好的效果。
国内无槽无刷电动机已有系列产品，功率范围至3kW，最高转速可达20000r/min，机座号从以￠28～￠190。
4.结论
先进设计工具的运用，可对各种无刷电机进行有效分析与仿真；高性能永磁材料的采用，提高了效率，节省了材料，缩小了体积，减轻了重量；各种新的转子磁路结构出现，使各种特殊结构、特定用途的无刷电动机成为可能。我国无刷电动机已有了较好的技术基础和物质基础，国内外有较大市场需求，无刷电动机产业充满发展机会。
参 考 文 献
[1]谭建成，无刷直流电动机技术发展动向，电气技术。2006(7)
[2]唐任远等，现代永磁电机理论与设计，北京：机械工业出版社。2005■