盘式永磁电动机换向结构的设计

褚先章

(宁波海天驱动有限公司，浙江宁波315801)

0 引 言

盘式永磁电动机又称轴向磁场电动机。1821年，法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场盘式永磁电机。限于当时的材料和工艺水平，盘式永磁电机未能得到进一步发展。然而，由于盘式永磁电动机具有良好的散热条件、结构简单、体积小、功率密度高等特点，已重新获得市场的青睐，并在电动汽车和军工等领域占有重要地位。

1 盘式永磁电动机的换向结构

在盘式永磁电动机各种分类中，带换向结构的盘式永磁直流电动机，具有使用方便、性价比高、容易实现低压大电流特点，成为盘式永磁电动机领域的一个重要分支。

换向性能是盘式永磁直流电动机的主要性能指标。良好的换向结构，可以降低换向元件间的接触电阻和接触电压，减少甚至避免换向火花的产生，降低换向损耗，提高电机的效率和寿命。

目前，国内绝大多数的盘式永磁直流电动机均采用“电刷+换向器+绕组”的换向结构。为简化电机结构，提高效率，我们对一款盘式永磁直流电动机设计了新的换向结构，其关键零部件的结构简图如图1所示。图1中省略了转轴和转子铁心等零件，以便视图简洁明了。

图1 关键零部件的结构简图

从图1中不难发现，电机的电刷与成型电枢绕组直接接触，电机的换向过程仅仅在电刷和成型电枢绕组之间产生，整个换向结构无换向器部件，巧妙地利用电枢绕组的成型线圈直接与电刷接触进行电流换向。

2 换向结构的主要优缺点

2.1 优点

换向结构的改进，可以简化电机的结构，提高电机的工作特性。主要有以下几点:

(1)简化加工工艺。去掉换向器零件后，电机的装配工艺得到简化。

(2)降低整机成本。

(a)由于无换向器部件，所以材料成本减少。

(b)装配工艺得到简化，降低了人工成本。

(3)电机性能得到改善。

(a)效率提高。去掉换向器零件后，电机的电路相应缩短，而且减少了换向器与绕组间的接触电阻，所以电机的铜损耗和接触损耗降低，提高了电机的效率。

(b)温升降低。由于电机铜损耗和接触损耗降低，效率得到提高，所以在同样的输出条件下，电机的温升必然降低。

(c)体积缩小，重量减轻。简化换向结构后，电机的内部可以设计得更加紧凑，安装空间缩小，特别适用于对安装空间要求较高的领域，如电动汽车、鱼雷等等前沿行业。

(d)超高的功率密度比。以我公司的一款产品为例，壳体的直径和厚度分别为210 mm和70 mm，整机的重量不到13 kg，而电机功率却达到13 kW。

2.2 缺点

由于换向结构的改动，电机转子的整体结构和加工工艺需要全新设计和调整，对电机设计人员的专业知识和经验都是一个考验;并且由于该方案对电机结构有较大变动，所以需要对样机进行多次测试和反复验证，以保证电机的性能和可靠性符合规定要求。

综合而论，新设计的盘式永磁电动机的换向方案，即优化了电机的内部结构，使电机的整体结构更加紧凑，又可减少整机的外形尺寸和重量，所以具有尺寸小、结构紧凑、节省成本等优点。