淺談軸向磁通電機(jī)的工作原理

電機(jī)的核心由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子圍繞定子旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的定子是鐵制的，往往很重，約占傳統(tǒng)電機(jī)重量的2/3。為了減輕定子重量，有人提議改用印刷電路板（PCB）來制作定子。 從一開始，用重量輕、體積薄、易于制造、耐用的印刷電路板代替鐵質(zhì)材料的想法就很有吸引力，但十多年來，它在草坪設(shè)備和風(fēng)力渦輪機(jī)等產(chǎn)品中并沒有得到廣泛采用。不過，如今印刷電路板定子獲得新生。你可以期待印刷電路板電機(jī)為所有電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品減輕重量和能耗。

其起到的能源節(jié)約作用至關(guān)重要：軟件可能正在吞噬世界，但電力越來越成為推動(dòng)世界運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)消耗了全球總電力的一半多一點(diǎn)。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Imarc稱，目前全球每年售出約8億臺電動(dòng)機(jī)，而且這一數(shù)字還在以每年10%的速度增長。電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車、火車、飛機(jī)、工業(yè)設(shè)備，以及暖通、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)。交通、建筑和暖通空調(diào)的溫室氣體排放總量共占美國總排放量的60%左右；高效的電機(jī)有助于減少這些部門的排放。 盡管印刷電路板定子有很多優(yōu)勢，但由于幾個(gè)誤解，人們未能很快地接受它。 首先，人們誤以為印刷電路板僅適用于精密應(yīng)用。但在2011年，CORE Outdoor Power推出了吹葉機(jī)和除草機(jī)，二者均使用了印刷電路板定子，堅(jiān)固耐用且沒有噪聲。 其次，有些人又覺得印刷電路板定子只能用于低功率機(jī)器。但在2012年，Boulder Wind Power將印刷電路板定子放入直徑為12米的直驅(qū)式發(fā)電機(jī)中，用于驅(qū)動(dòng)輸出功率為3兆瓦、扭矩超過200萬牛頓米的風(fēng)力渦輪機(jī)。它是有史以來運(yùn)行最平穩(wěn)的大功率發(fā)電機(jī)之一。

然而，兩家公司都沒能堅(jiān)持下來。Boulder Wind Power耗盡了資金，未能獲得可靠的商業(yè)合同，而CORE Outdoor Power不得不在擁擠的市場中與更廉價(jià)的競品搏殺，最終敗下陣來。盡管如此，他們的開創(chuàng)性成果仍然展示了印刷電路板定子的可行性。 時(shí)至今日，我的公司Infinitum Electric（位于美國得克薩斯州奧斯?。╅_發(fā)了一種具有多用途印刷電路板定子的電機(jī)。這款電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力可媲美傳統(tǒng)的交流感應(yīng)電機(jī)，但重量和尺寸減少了一半，噪聲很小，而且碳排放至少可以減少25%。該電機(jī)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、制造業(yè)、重工業(yè)以及電動(dòng)汽車等。接下來說一說它的工作原理。

Infinitum Electric的電機(jī)是一種軸向磁通電機(jī)，其中定子的電磁接線與包含永磁體的盤形轉(zhuǎn)子平行。接通交流電流后，定子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電機(jī)是空心的，就是說沒有鐵質(zhì)部件來調(diào)節(jié)磁通量，電機(jī)的磁性部件之間只有一層稀薄的空氣。所有這些零部件組合起來就是一個(gè)空心軸向磁通永磁電機(jī)。

在過去，要制造這種電機(jī)面臨著嚴(yán)重的實(shí)際困難。定子的制造過程很繁復(fù)，銅線繞組體積龐大，線圈的支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣隙非常寬，只有大型磁體才能產(chǎn)生足夠的磁通量。 Infinitum Electric放棄使用銅繞組，改用光刻技術(shù)來蝕刻薄銅片，銅片間有環(huán)氧樹脂玻璃層壓板相襯隔，實(shí)現(xiàn)線圈與相鄰線圈間絕緣。與同等的傳統(tǒng)鐵芯電機(jī)相比，棄用鐵芯并減少使用銅材可減輕電機(jī)50%~65%的重量并減少50%~67%的體積。此外，銅和層壓板可隨溫度升降同樣地膨脹和收縮，避免產(chǎn)生應(yīng)力慢慢導(dǎo)致部件解體。 因?yàn)闆]有定子鐵芯，我們可以在定子的兩側(cè)面對面放置兩個(gè)的相同轉(zhuǎn)子，每個(gè)轉(zhuǎn)子都帶有強(qiáng)大的永磁體。這可以產(chǎn)生恒定的磁通量。與其他軸向磁通電機(jī)一樣，磁通平行于旋轉(zhuǎn)軸，而非徑向軸。

因?yàn)榇判詺庀逗苷覀冎恍枰粋€(gè)小磁體，這就是我們可以在給定的質(zhì)量和體積中獲得更多能量的原因。 更重要的是，印刷電路板是通過自動(dòng)化工藝流程制造的，這意味著其比手動(dòng)繞線機(jī)的一致性和可靠性更高。我們通過簡化它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使它們更加可靠。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電機(jī)的相位有關(guān)。 相電壓是指一路正弦波的交流電壓，可相對于另一相電壓在時(shí)間上發(fā)生相位偏移。多個(gè)相電壓的變化是同步的，因此電流之和始終為零。當(dāng)一個(gè)多相電壓系統(tǒng)作用于應(yīng)用電機(jī)時(shí)，每相電壓都對應(yīng)單獨(dú)的繞組，多路電流在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生的磁場相互作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 以前的印刷電路板定子在同一層結(jié)構(gòu)中混有不同相位電壓的銅線，這可能會產(chǎn)生短路。因此，我們選擇每一層結(jié)構(gòu)只對應(yīng)一相電壓，并且最大限度地減少層與層之間電連接的數(shù)量。這種布局提供了連續(xù)的電流路徑并降低了電氣故障的風(fēng)險(xiǎn)。

新布局的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它讓設(shè)計(jì)人員可以自由選擇線圈串聯(lián)或并聯(lián)。串聯(lián)線圈適用于三相電工業(yè)應(yīng)用和下一代電動(dòng)汽車；并聯(lián)線圈更適合低壓應(yīng)用，例如電動(dòng)汽車的輔助電機(jī)等。

與其他永磁電機(jī)類似，我們的軸向磁通電機(jī)同樣需要變頻驅(qū)動(dòng)裝置（VFD）來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)并按要求加速。變頻驅(qū)動(dòng)裝置還可根據(jù)應(yīng)用需求來控制電機(jī)的速度和扭矩。 ? 但是，空心設(shè)計(jì)使電機(jī)的阻抗極低（通常僅為傳統(tǒng)鐵芯電機(jī)的5%~7%），因?yàn)榭諝馊菁{的磁能要比鐵少得多，因而只有很少的磁能可用于平滑變頻驅(qū)動(dòng)裝置給電機(jī)帶來的電壓變化。

為了彌補(bǔ)這一缺陷，我們添加了另一個(gè)部件：集成變頻驅(qū)動(dòng)裝置，精準(zhǔn)操作低阻抗電機(jī)。我們的變頻驅(qū)動(dòng)裝置使用高效碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），降低損耗并提高整體效率。 此外，變頻驅(qū)動(dòng)裝置還可以監(jiān)控電機(jī)的性能，如果客戶愿意，還可以通過云功能上報(bào)結(jié)果；也可以用這種方式更新電機(jī)的軟件。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了多種方法節(jié)約能源、管理性能并預(yù)測何時(shí)需要維護(hù)。 超薄印刷電路板能提供較高的表面積與體積比，可提高冷卻效率，我們能在銅用量一定的情況下，施加2～3倍的電流?？赏ㄟ^電機(jī)外部和電子元件之間的散熱片來實(shí)現(xiàn)空氣冷卻。

去除鐵芯可避免鐵的周期性磁化和退磁所導(dǎo)致的損耗，同時(shí)還避免了金屬中的渦流損耗。因此，我們的空心電機(jī)可以在額定功率的25%~100%范圍內(nèi)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。去除鐵芯同時(shí)意味著在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子上的磁鐵將面對恒定磁阻和恒定磁場。這種設(shè)計(jì)消除了磁體和轉(zhuǎn)子的渦流損耗，因此可以采用標(biāo)準(zhǔn)的非層壓復(fù)合低碳鋼板來制造轉(zhuǎn)子。

對于普通電動(dòng)機(jī)而言，其定子和轉(zhuǎn)子均由鐵磁材料制成。一旦施加電流并形成旋轉(zhuǎn)磁場，這些磁場就會產(chǎn)生兩個(gè)作用力：一個(gè)是有用的扭力，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；另一個(gè)是徑向力，將轉(zhuǎn)子拉向定子，使放置銅線圈的定子槽位產(chǎn)生跳動(dòng)。其中的徑向力不僅沒有用，還會加劇噪聲和振動(dòng)。

接下來說一說這是如何發(fā)生的。磁通量產(chǎn)生的作用力一開始都指向轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的相同方向，然后隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極位置相對于定子槽位發(fā)生了變化，直到作用力轉(zhuǎn)向相反的方向。這種交變力會產(chǎn)生扭矩波動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的機(jī)械發(fā)生金屬疲勞。 而Infinitum Electric的電機(jī)則不會產(chǎn)生這種交變磁力。這一優(yōu)勢和其他效能特征是Infinitum電機(jī)的噪聲平均比傳統(tǒng)電機(jī)低約5分貝的原因。看起來這可能并沒有減少很多，但這部分噪聲往往特別刺耳，特別煩人。

Infinitum Electric的電機(jī)結(jié)合了空心電機(jī)的輕便性和軸向磁通電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩密度的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于建筑的通風(fēng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)?，F(xiàn)在新冠疫情使室內(nèi)空氣凈化成為當(dāng)務(wù)之急，電機(jī)也變得特別有用。用于供熱供冷的熱泵是電機(jī)的另一項(xiàng)應(yīng)用，電機(jī)不僅可以節(jié)省能源、簡化安裝，還能夠降低噪聲。據(jù)美國總務(wù)管理局（GSA）與美國能源部的最新試驗(yàn)，如果美國總務(wù)管理局的暖通空調(diào)工廠配備Infinitum Electric的電機(jī)，每年可節(jié)省高達(dá)800萬美元。 電動(dòng)汽車是這種新型電機(jī)的另一個(gè)大市場。美國能源信息署預(yù)計(jì)，到2050年，電動(dòng)汽車將占全球汽車總量的31%。 我們公司正在與一家領(lǐng)先的汽車供應(yīng)商合作，共同開發(fā)一種遠(yuǎn)程油電混合動(dòng)力汽車的油冷電機(jī)。

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，我們的電機(jī)設(shè)計(jì)可以提高油冷工作效率，因?yàn)槔鋮s劑可以很容易地施加在電路印刷版的整個(gè)表面。利用油冷技術(shù)，我們風(fēng)冷電機(jī)的功率密度提高了3倍，達(dá)到8~12千瓦/千克。這使油冷電機(jī)可適用于另一個(gè)有前途的市場——電動(dòng)航空領(lǐng)域。 此外，我們還與專門從事物料裝卸的公司合作，例如叉車、傳送帶系統(tǒng)以及用于食品飲料制造的混合設(shè)備等。卡特彼勒風(fēng)險(xiǎn)投資已投資Infinitum Electric，開發(fā)新型系列的交流發(fā)電機(jī)，其尺寸和重量僅為現(xiàn)有產(chǎn)品的1/3，而且更安靜、更高效。據(jù)估計(jì)，交流發(fā)電機(jī)市場的年成交額高達(dá)170億美元，并且還在不斷增長。 據(jù)我們估計(jì)，如果全世界的每臺電機(jī)都換成Infinitum Electric電機(jī)，每年將減少8.6億噸的碳排放，相當(dāng)于2億輛汽車一年的排放量。電機(jī)在生活中隨處可見，即使是微小的效能改進(jìn)，也有能力為今天和下個(gè)世紀(jì)的地球帶來巨大的改變。

編輯：黃飛