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无槽与有槽无刷直流电机

2020年9月28日

无刷直流电动机技术的选择应用运行在更高的速度。然而，两种不同的电机结构可以提出一个选择难题，说Madhavan Ramanujam而且西里尔•波特．

在过去的十年中，越来越多的人接受无刷直流电动机作为有刷直流电动机的替代品，用于需要高速(超过12,000 rpm)和长工作寿命的应用。当然，也有权衡:无刷换向电机提供简单的控制和无齿槽，而无刷直流电机的复杂结构意味着成本更高。

对于许多应用程序来说，两者之间的选择是很清楚的，但是对于其他的应用程序——需求处于每种技术的性能限制之间——这个决定就比较困难了，而且经常涉及到设计上的妥协。

传统的无刷直流(BLDC)电机是一个槽设计-线圈缠绕在槽周围的定子。无槽设计线圈是缠绕在一个单独的外部操作，然后直接插入到气隙在电机组装。

无槽无刷直流电动机可以做得更小的尺寸。在开槽无刷直流电动机中，定子齿的存在阻止了电机的整体尺寸被最小化。此外，随着电机尺寸的减小，绕线过程变得越来越困难。相比之下，无槽无刷直流电动机有倾斜或轴向型绕组固定在圆柱形定子铁芯上，使尺寸更容易缩小。无槽设计还具有成本优势，通过降低复杂性和定子铁芯更容易制造。

性能考虑
在无槽无刷直流电动机设计的早期，功率密度低于等效的有槽电机。然而，高能永磁体和它们的替代磁化安排的出现已经缩小了性能差距。

开槽无刷直流电动机较不能够采用高能磁铁，因为需要较厚的齿增加电机的磁负载有减少槽面积的效果，从而减少电机的电负载。

然而，开槽无刷直流电动机仍然可以提供比无槽设计更高的扭矩，因为开槽设计可以处理更高的温度，允许更多的扭矩产生。但是，由于在过载运行时磁路的饱和，电机转矩降低，而无槽设计中没有齿没有磁饱和，因此提供更好的过载。

另一个性能考虑因素是高速运行。虽然这两种设计都可以在比刷直流电机更高的速度下运行，但有槽和无槽设计在高速下有不同的特性。为了获得机械稳定下的高速运行(从40000到60000转)，通常无槽转子有一个两极永磁设计。此外，由于大的气隙，电机在高速运行时定子铁心损耗被限制在可接受的范围内。由于其无槽定子结构，磁芯损耗相对较小，因此提供了高功率密度。

无槽提供低电感引入运动控制挑战。如果采用脉宽调制(PWM)控制，低电感导致更高的电机损耗。具有较高开关频率(80 - 100kHz)的控制或串联补偿电感器可用于缓解低电感问题。

有了这些特点，不同的无刷直流电动机技术适合不同的应用。开槽无刷直流电动机适用于电动汽车或家用电器等要求极数较高且最终尺寸不是问题的应用。在恶劣的环境中，它们也是首选的，因为开槽设计中的线圈更容易保护，并由定子齿机械固定。另一方面，当需要高速和小尺寸时，例如在医疗设备或便携式工业工具中，无槽无刷直流电动机可以提供最好的解决方案。

Madhavan Ramanujam是Portescap的研发技术专家，Cyril Baud是Portescap的研发经理。


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