現今電動機設計所面臨的挑戰(zhàn)，通常包括對電動機/發(fā)電機的轉矩、功率、效率、尺寸、重量及其他性能參數進行優(yōu)化。

對于電動機，可根據特定用途來選擇對哪些參數進行優(yōu)化。幾乎所有電動機都是恒速、調速或啟停式運轉。對更高電能使用效率的日益重視，使得通過調速電子驅動設備來獲得更高使用效率，比恒速應用獲得了更廣泛的使用。在進行實現精確定位性能的運動系統的開發(fā)時，通常要求電動機具備較高的峰值轉矩及降至零速率時平穩(wěn)的速率和轉矩運動。功率及控制電子器件為包含電動機、驅動及控制元件在內的整個運動控制或機電一體化系統提供了關鍵部件。

五種常用的電動機類型包括通用有刷直流電動機、可調或開關磁阻電動機、交流感應電動機、電子控制無刷同步或永磁(PM)同步電動機。成熟的通用電動機是一種繞線磁極式電動機，可由交流或直流輸入電壓驅動。但它的功率較低。具有繞線磁極及PM結構的有刷直流電動機，會因其機械換向系統而使工作壽命受到限制。

新技術的發(fā)展主要限于磁阻、感應及無刷永磁同步電動機系統。最近，這三種電機技術的結合也出現了。

永磁電動機

永磁電動機天生具有最高的效率，并在范圍寬廣的候選新技術領域，領先于其他電機技術。無刷永磁同步電動機（PMSM）有多種名稱，例如無刷直流電動機、無刷PMAC電動機及電子控制電動機（ECM）。

現今廣泛應用的PMSM電動機，其磁體位于圓筒轉子的表面。伺服定位領域的最新產品，正在向圓筒輪輻中嵌入磁體及內部永磁構造發(fā)展。這些具有嵌入式磁體的產品，在多種精確定位運動系統中，能極大地增大轉矩或減小尺寸及重量。這種伺服電機多用于機械工具、機器人及半導體設備。

軸向磁通電動機

交通運輸業(yè)（電動自行車、摩托車、汽車）是新PMSM技術的目標。對于磁體位置，兩個極好的例子是位于軸向磁通及橫向磁通PMSM電動機內部。

軸向磁通PMSM具有獨特的圓盤形狀，比之常規(guī)的圓柱形徑向磁通PASM電動機，它能產生更大的轉矩。它獨特的構造，能與多種車輛驅動輪的中心相匹配。

軸向磁通電動機提供高轉矩及低電機軸速，在很多應用中免除了使用昂貴變速箱的需要?；旌向寗踊螂娏︱寗榆囕v的重新出現，促進了對用于牽引應用的軸向磁通電動機重新進行技術評估。

主要的軸向磁通結構有兩種：內部PM轉子置于兩個定子繞組之間，及兩個轉子圍繞定子的圓環(huán)型。內置PM轉子是最常用的結構。運輸公司引導著這方面的研究，同時世界各地的對這些類型電動機進行評估、設計及使用的大學教授也寫作了很多論文。中國電機公司制造了大量的電動自行車用的輪觳軸向磁通電機。

當今的經濟衰退，使公司對輪觳軸向磁通電動機的使用大大減少，但澳大利亞的KLD Energy Technologies公司仍為小型摩托車制造商提供一種5KW型號的軸向磁通輪觳電機。英國阿賓頓的YASA Motors，為使用無槽或yokeless定子的大型車輛開發(fā)了一種軸向磁通電機，能實現60Nm(44 磅-英尺) @ 3600 rpm (25 kw)及96%峰值效率。幾乎所有的軸向磁通電機都采用高能釹-鐵-硼磁體。

一種更獨特的軸向磁通PMSM結構是NovaTorque公司的PMSM。這種軸向磁通PMSM的軸向長度大于其徑向直徑。NovaTorque的轉子，將一對由鐵酸鹽磁體構成的圓錐輪觳組件嵌入在IPM結構的軟磁材料中。這種結構，使得低成本的鐵酸鹽磁極能實現與稀土（釹）磁體相媲美甚至更優(yōu)越的電機性能。

轉子輪觳組件位于轉子的每個末端，電動機的磁通線直接（平行于軸）通過定子的軸向磁極。圓錐形轉子輪觳表面能產生一個大的間隙面積并因而改善了轉矩。Nova Torque的首個產品，以Premium Plus+為商標的3hpPMSM軸向磁通電機，能達到159 磅-英寸 (18 Nm) @ 1800 rpm。NovaTorque的行業(yè)目標是用于暖氣設備、通風設備及空調制冷產品的風扇、泵以及壓縮機。

橫向磁通電機

橫向磁通電機具有一個復雜的磁路。徑向磁通及軸向磁通電動機可用二維FEA模型及更多直接的數學模型來模擬，但橫向磁通電機因其磁路為三維，則需三維FEA模型來模擬。它的U字形磁元件圍繞著環(huán)狀的定子繞組。橫向磁通電機是1896年由W.M. Morday發(fā)明的。但因它復雜的結構和額外的成本，對其先進性能的應用則發(fā)展緩慢。釹磁體及軟磁復合材料的發(fā)展，使瑞士Biilach的Landert Motoren公司開發(fā)出了小型橫向磁通電機MDD1系列，其額定轉矩為3.3 Nm to 10 Nm @ 300 rpm (100-300 W)。它應用于旋轉臺及其他的工業(yè)機械。

韓國的Electric Research Institute (KERI) 具有十多年多種橫向磁通電動機的生產史。它的機電一體化團隊開發(fā)了旋轉及線性電動機。材料運輸系統的發(fā)展已達到1120 lbs-force (5000 N)。橫向磁通電機能實現大轉矩及高功率密度，但制造成本也較高。目前其使用仍局限于某些特定的場合。

混合圓柱形電動機

徑向磁通圓柱形電動機也開發(fā)出了新電機技術，這種技術將永磁、可變磁阻及PM集成到交流感應電動機中。QMPower便是各種電機技術結合的最好例子。新的QMPower平行磁路技術(PPMT)將VR和PM技術相結合。兩種磁通共用相同的電動機磁元件，一種由兩個PM產生，另一種由VR轉子-定子繞組結構產生。QM Power宣稱，其磁力可增至三倍，使功率密度增長30% 并同樣導致效率峰值的增長。這是從100瓦到百千瓦級別的飛躍。

PPMT以包括牽引驅動在內的恒速及變速應用為目標。PPTM能在更高的負載條件下保持高功效。即便采用鐵酸鹽磁體，也能實現卓越性能。

另一個混合電動機的例子，是直接啟動交流感應電動機，它將鼠籠轉子與PM磁體籠（通常是鐵素體）相結合，極大地改進了交流電動機的功率效率。意大利威尼斯的Lafert Corp.制造出用于工業(yè)及商業(yè)的直接啟動交流電動機系列，可在1 kw 到15 kw之間變化，并具有峰值效率比為5%到8%的增長。

來源 | 今日電機