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无“齿”电机

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  最初的无刷直流电机(BLDC)设计是有齿槽的结构,目前市场上大多数BLDC电机仍然采用这样的设计结构。但是这种设计会产生齿槽效应扭矩,使平滑运动难以实现,尤其是在电机低速运转下。为了消除这种影响,一种新的无齿槽效应的结构被提出,它很好地消除了定子的齿槽(产生齿槽扭矩效应的根本原因),随之无齿槽效应的电机也产生了。

在一个有齿槽的电机设计中,定子是由有齿槽的钢片叠合在一起,而铜绕组则插进这些槽内(定子的设计有时被称为“齿”)。槽式电机的设计简单,成本低廉,但它有一个主要的问题——齿槽效应扭矩。齿槽效应扭矩(也称为“磁滞转矩”)是转子中永磁铁的结果,它试图与定子的槽位或齿槽进行对齐。齿槽效应扭矩的主要影响是,它使电机转速不平稳,特别是在低速运动时。

我们在讨论开槽线性电机时常用到“铁心”这个术语。是因为实际组装里,定子线圈被封装在钢中,这种组装有时也被称为“铁心”。另外,“无齿槽线性马达”通常也被称为“空气核心”发动机。

在一个无齿槽的电机里,没有铁芯支撑着绕组。相反,定子的分层结构是由堆叠在一起的钢环构成的,而绕组则被封装在环氧树脂中,从而使结构的形状和刚度得到了弯曲。这种“自支承”绕组被放置在定子薄片和转子之间的空气间隙中。

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设计的主要优点是,在叠层中消除了齿槽效应的转矩,并使电机具有非常平滑运行的特性。扭矩的生产是可预测的,其可控性也很高,因为在没有这些不可控的干扰的情况下(即齿槽效应扭矩),电机扭矩的产生与线圈的电流直接相关。

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扭矩(力)的波纹与开槽(上)和无槽(下)电机的电角度。

紫色=理论正弦力矩与角度

绿色=加力转矩的破坏结果

红色=齿槽定位转矩

从所有三个相结合的过程中产生的扭矩

无齿槽的结构设计还有其他好处。首先,消除干扰的同时显著降低噪音。其次由于没有铁芯,电感很低,电流可以很快进入定子线圈,使得无齿槽电机对需要高加速度和动态响应的应用很有帮助。

虽然无齿槽电机目前优势显然,但是有齿槽电机仍然有一些优势。例如,一个有齿槽电机的空气间隙比一个无齿槽设计的空气隙要小(它必须适应自支撑的卷绕装置)。这就意味着在有齿槽电机中,磁流量密度更高,扭矩生产更有效、更高效。

一种方法,在转子中使用更大、更坚固的永磁铁,可以让无齿槽马达的制造商克服较大气隙的影响,可是这会导致成本的增加。同时,制造自支撑绕组结构的成本通常比传统的有齿槽设计要高。因此,当平滑运行和齿轮消除因素在应用中并不重要时,传统的有齿槽电机设计仍然是的首要选择。



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