轴向磁场永磁无刷直流电动机的分析和设计
诸自强 （浙江大学）
张士红 （天津安全电机有限公司）
大卫·豪 （英国谢菲尔德大学）
【摘 要】本文以三维电磁场的分析为基础，提出了轴向磁场永磁无刷直流电动机的分析和设计方法，研究了这种电机的内外径的****比例及其稳态和动态运行过程。文中通过一台12极三相星形连接的样机实测数据，证实了所提出的分析和设计方法的正确性。
【叙 词】无刷直流电动机永磁电机轴向磁场三维电磁场分析
1引 言
轴向磁场永磁直流电动机分为有刷和无刷两种结构，有广泛的应用范围，主要用于运动控制，特别适用于轴向尺寸要求较小的设备上，例如，汽车散热器的凤扇，电动车辆及计算机软盘的驱动装置。轴向磁场永磁无刷直流电动机有3种基本磁路结构，见图1。图la尽管需要推力轴承，却是******的结构。
由于大多数轴向磁场永磁直流电动机是无槽结构，电枢绕组的厚度比气隙还大，因此总的有效气隙相对偏大，故电枢反应影响很小，可以忽略不计。仅当功率／重量比值较高时，才需要考虑其去磁效应。轴向磁场无刷直流电动机的电枢绕组有以下几种类型：
a．类似于三相感应电的定子绕组，由于它是叠绕组，所以导线平均匝长较长。
b．同心式绕组，线圈粘在定子轭上，可使结构简单，但绕组的空间利用率不高。
c．折叠式绕组，可显著提高转矩和效率。
d．导线均匀绕于定子铁心上的框形绕组，见图l。
轴向磁场结构与径向磁场结构有两点不同，即
a．气隙磁通是轴向的，定、转子铁心为盘式。
b．工作导体排列成辐射形。
这种电机的特点是：
a．从电动势的公式中可看出，导体的线速度随半径而变化。在一定转速下，半径越大，线速度越高，从而使气隙磁通利用率提高。
b．电负荷也随半径而变化，在内径处****，外径处最小。在绕组设计、温升计算以及当磁钢的去磁为不可逆时，必须考虑这种变化。
对于高性能永磁无刷直流电机，在稀土永磁材料价格相对较高和电子整流式电机中相电流为非正弦波的情况下，电机的正确分析和设计是十分重要的，尤其在降低转矩脉动，预估动态特性和提高磁性材料的利用率等方面更是如此。
本文通过一台12极三相星形连接的样机实测数据证实了所提出的分析和设计方法的正确性。
2基本设计方程
式中lec是绕组端部的伸长量，用以计算内外径的边缘磁通，它对无槽电机影响较大。
由于电负荷和磁负荷随半径而变化，有以下定义：
a．磁负荷brav是半径r和沿磁极中线气隙磁通密度乘积的积分除以径向长度，该长度等于实际径向长度加上考虑绕组端部的延伸量射2lec，该方法将在第3部分中说明
b．电负荷q在内径(di／2)处有极大值q。
2kw取决于相数和通电方式，如双极驱动星形联接kw=2／3；单极驱动星形联接kw=1／3。 nph是相数，n是每相导体数，i是相电流，a是并联导体数。
因此给定输出转矩、电负荷和磁负荷、磁钢外径d，通过式(l)求得内外径的****比例，计算方法见第4部分。每相反电势系数ke也取决于内外径，即
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