旋绕式平面磁电机研制工作总结报告
一、立项的目的和意义
1、立项的目的
随着经济的发展和科技的进步，以稀土永磁同步电机为代表的各种永磁电机成为了电机研究开发的焦点。伴随着数控机床、工业机器人、机械手、计算机及其外围设备等高科技产品的兴起和特殊应用，我国从七十年代末开始研制盘式电机，以达到满足对永磁电机薄型安装结构和更高性能指标要求的目的。
之后，随着新型家用电器和工农业用电器的开发与发展，尤其是新能源风力发电技术和电动车辆的迅速发展，对盘式电机的需求量猛增，但目前我国对盘式永磁电机的研究尚处于起步阶段，虽然已经有一批盘式永磁无刷直流电动机产品，但针对其设计与制造，至今没有形成一套完整的设计、研制及生产体系，而且铁心的存在使得电机响应速度慢、换向性能不理想，同时轴向尺寸长, 严重限制了电机在多数具有薄型安装场合的应用。而无铁心永磁盘式有刷直流电动机具有结构简单, 控制灵活, 换向性能好的特点, 特别适合于薄型安装场合,在汽车、仪表、电动工具、电动车辆驱动中得到广泛应用。为了克服永磁盘式有刷直流电动机的电刷维护的缺点，进一步提高运行的可靠性，研发新型无铁心无刷盘式永磁电机显得十分必要。
本项目正是基于这个思想和目的来进行开发研制的。该电机基于盘式永磁无刷直流电机、综合印制平面电机、盘式电机的优点，采用无铁心的定子结构和新式的旋转绕线法（即平面旋绕法），并以特种PMC材料辅以特殊工艺封装定型，研发设计了一种新型的无铁心永磁盘式无刷旋绕式平面磁电机，简称旋绕式平面磁电机。
2、立项的意义
争取这个立项，首先是为我国经济建设，特别是电机事业的发展，贡献
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自己的力量，并推动我国在无铁心盘式永磁无刷电机研制方面的整体技术水平。
其次，立项可以提高江苏磁源动力科技有限公司产品技术水平，跟踪当代先进的计算机控制技术、通信、网络技术、图像监控技术及现代测控技术等的步伐，并培养锻炼一大批有实际工作经验的工程技术人员，以提升我们的产品档次，满足用户要求，争取更大的市场份额。
二、技术方案
本项目立足于盘式永磁无刷直流电机，在电机结构、材料、加工工艺以及基本参数等几个方面进行选择论证及改进，研发设计的新型旋绕式平面磁电机具体方案如下。
1、电机结构
为克服单边磁拉力，尽可能地减少漏磁，本项目所研究的旋绕式平面电机采用了图1所示的双转子夹中间定子结构。由电机外壳和直接粘接于外壳的双侧磁钢构成双转子，定子电枢绕组放臵在双转子中间，与之形成双气隙结构。只要定子设计合理，制造精确，电机运行时作用在两侧转子上的磁拉力
图1 中间定子式结构的示意图
便可以相互平衡，使轴承不受轴向力的作用，延长电机的使用寿命。电机外壳上直接粘结磁钢，这样永磁体和外壳之间没有相对运动，有效的减少了电机的涡流损耗。电枢绕组采用无槽、无铁心结构，由绕组注塑而成，可以减
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少由齿槽效应引起的电磁转矩脉动以及由铁心带来的诸多弊端。而且电枢绕组无铁心，因此磁路不存在饱和问题，并且使电机质量减小、损耗降低、电机效率增加。
2、转子永磁体 1）磁极形状
本项目研究的旋绕式平面磁电机，其永磁块平面形状为扇形，该结构的永磁体可以使每极获得较大的磁通，且制造时容易保证质量，装配时调整余地大。永磁块的平面形状由外圆弧、内圆弧、两侧面外圆弧和过渡圆弧围合而成，外圆弧的两端点与内圆弧的两端点的连线的夹角为60°，外圆弧与侧面外圆弧半径相同，二个侧面外圆弧对称分布，并与外圆弧和内圆弧相交，二个侧面外圆弧、外圆弧和内圆弧的交接处均由过渡圆弧平滑过渡连接。 2）永磁体材料
综合考虑各种永磁体性能、价格、加工工艺等因素的影响，本项目所设计的新型旋绕式平面磁电机采用钕铁硼作为永磁材料制作电机磁钢。虽然钕铁硼永磁材料的温度系数较大，但在盘式电机中，由于永磁体直接安装在转子盘上，转子盘在空气中旋转，而且靠近电机外壳，因此具有良好的散热条件，温升较低，去磁效应较缓和，对性能影响并不严重，在新型旋绕式平面磁电机中使用非常合适，且在尽量少用永磁材料的前提下可以提高电机中的气隙磁通密度，从而保证电机气隙中有足够大的气隙磁密。同时，利用钕铁硼永磁高矫顽力的优异特性制成的无铁心电机，不但电机重量可以大幅度下降、还可以降低振动噪声，同时效率也得到大幅度提高。 3）转子永磁体阵列方式
因电机转子部分选用了具有高矫顽力和高剩磁密度的钕铁硼永磁材料，使得永磁体采用一种特殊的结构形式——Halbach型永磁体阵列成为可行。基于Halbach阵列的旋绕式平面磁电机采用了每极16块(60°)的Halbach永磁体阵列，电机每侧永磁体的每极由4块充磁方向各不相同的梯形永磁体构成，
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其中每一永磁体的形状为一等腰梯形，整个电机共由数十块这样的小永磁体构成两个永磁体盘，磁盘的整体模型和每块梯形永磁体的尺寸及充磁方向如图2所示。
图
2、Halbach型永磁体阵列的磁盘模型及其尺寸与充磁方向
3、电枢线圈绕制
本产品由于选择了Halbach磁体结构，可以得到比较理想的正弦波气隙磁密分布，所以选择整距绕组。没有了齿槽的限制，线圈单独绕制，为减少线圈绕制工作量选用单层绕组，并且单层绕组还便于整型。单层链式绕组的线圈具有相同的节距。从整个绕组的外型来看，一环套一环，形如长链。若利用槽数表示，则链式线圈的节距都为奇数，即线圈的一条线圈边若是放在偶数槽里，那么此线圈的另一条边则放在奇数槽里。由于本项目所研究的旋绕式平面磁电机不具有铁心，故不存在齿槽，因此可以将每个线圈边近似看成
图3 旋绕式平面磁电机电枢绕组的结构示意图
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为臵放在相应的虚槽中。单层绕组的每一个虚槽内只有一个线圈边，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。
4、位臵传感器
转子位臵传感器在永磁无刷直流电机中，主要起两个作用，一是通过它检测出转子永磁体相对于定子电枢绕组所处的位臵，以确定电子换向驱动电路中功率元件的导通顺序；二是确定电子换向电路驱动电路中功率元件的导通角，从而确定电枢磁场的磁状态。
本产品旋绕式平面磁电机信号控制部位采用霍尔偏移定位，适当超前换向，准确输出磁钢极性信号，驱动输出最大电流，产生最大的反电动势，促使输出最大的电磁功率，也就是机械转动轴上输出的最大机械输出功率和转矩，实现零起动。
综上，其具体的实现方案如下：
旋绕式平面磁电机，包括左机壳、永磁块、平面转子、右机壳、主轴、轴承和输入导线，平面转子固定在主轴上，在平面转子内设有平面线圈，左机壳和右机壳分别通过轴承安装在主轴上，平面转子位于左机壳和右机壳之间，左机壳和右机壳固定连接，在左机壳和右机壳的内侧面的同一圆周上均匀地固定有永磁块，永磁块的安装磁性要求是：在同一侧面上相邻两块永磁块的极性相反，两侧面上对应的两块永磁块的磁性相反；在主轴上设有引线结构，输入导线从引线结构中引进并与平面转子中的线圈相连接。
永磁块的平面形状为扇形，扇形的夹角为60°，外圆弧、内圆弧、两扇形侧边和过渡圆弧围合而成，在外圆弧、内圆弧与两扇形侧边的交会处由过渡圆弧平滑过渡连接。
永磁块的平面形状由外圆弧、内圆弧、两侧面外圆弧和过渡圆弧围合而成，外圆弧的两端点与内圆弧的两端点的连线的夹角为60°，外圆弧与侧面外圆弧半径相同，二个侧面外圆弧对称分布，并与外圆弧和内圆弧相交，二个侧面外圆弧、外圆弧和内圆弧的交接处均由过渡圆弧平滑过渡连接。
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在左机壳和右机壳内侧面同一圆周上都均匀地固定有6片永磁块。 主轴为空芯轴，引线结构为在主轴上沿轴开设布线槽，或者在主轴上开设与中心孔相通的穿线孔。
由于在左机壳和右机壳的两侧面上都设有永磁块，相邻两块永磁块的磁性相反，设有平面线圈的平面转子固定在主轴上，且位于左机壳和右机壳之间，平面转子中的平面线圈就处于磁场中，当向平面线圈中通入直流电时，平面转子就会转动，输出扭矩与平面转子中平面线圈的匝数、分布层数和永磁块的磁场强度有关，平面线圈的匝数和分布层数越多，永磁块的磁场强度越大平面转子输出的扭矩就越大。在平面电机的外径尺寸相同条件下，这种平面型电磁动力机的轴向尺寸小，输出功率大，更适用于大功率电动助力车上，与常规的单相直流电机相比，在同等功率条件下，节能效果显著。
三、重点解决的关键技术问题
1、解决霍尔元件在产生电动势绕组中的定位问题。传感器（霍尔元件）准确输出磁钢极性信号，驱动输出最大电流，产生最大的反电动势，促使输出最大的电磁功率，也就是机械转动轴上输出的最大机械输出功率和转矩。
2、解决电子控制器和电机的配套问题。
3、解决电机的转矩波动问题，即电磁转矩波动问题。
4、解决起动转矩问题，起动转矩是永磁无刷直流电机设计最重要的要点之一。无论定子磁铁是径向磁化还是平行磁化，采用渐变磁隙是最合适的选择，因为它的合成转矩波动低，较平滑，工作较稳定。
5、解决塑封问题。采用新式的旋转绕线法，即“平面旋绕法”的绕线结构，导线以120°方位旋转排线，定子电枢采用无铁心结构，成型后以特种PMC材料辅以特殊工艺直接由绕组注塑定型，省去了传统电机的硅钢片。
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四、项目进展基本情况
第一阶段：项目调研阶段，时间从2011年1月至2011年8月，主要完成产品需求分析、产品主体设计、方案论证及整体设计和详细设计研究。
第二阶段：项目开发阶段，时间从2011年8月至2012年1月，完成产品各部分的开发和研制、现场应用与调试。
第三阶段：项目鉴定、推广、应用阶段。2012年2月至2012年5月，完成产品推广、鉴定、并应用于电动自行车和电动车等领域。
本公司自对这种新型的高效能电机进行研发开始，已成功试制出250W的电机，经上海电器设备检测所检测，并经金仙子电动自行车有限公司等用户单位的试用，达到了项目设计书的要求,已成功运用于ANPEAK电动自行车中，并以其体积小、耗材少、成本低、效率高等优点取得了显著的效果。为了满足社会发展的需要，我们将继续研发能在其他领域中应用的电机，如风能、汽车等应用电机，努力提升公司的科技开发水平，加快我国高效电机的发展步伐。
五、系统的技术创新点
旋绕式平面磁电机打破了传统电机的概念，改变了传统电机结构，采用无铁芯、无刷，结合自主研发的智能变频技术，大幅度提高功率，采用新型绕制工艺，降低了驱动功率。与传统电机相比，电机功率提高10～15%、转矩体积比增大3～5倍、生产耗材减少3/
5、体积减少3/
5、成本降低2/
3、比传统电机节省铜材90%，比常规盘式电机节省铜材30%，节省电能25%。且根据相关资料检索和文献查阅，到目前为止，国内尚未有本项目产品其他制造厂家的报道，属于国内首创。
1、旋绕式平面磁电机是根据印制平面电机、盘式电机的特点，采用新式的旋转绕线法，即“平面旋绕法”的绕线结构，导线以120°方位旋转排线，
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成型后以特种PMC材料辅以特殊工艺定型，省去了传统电机的硅钢片，且铜材用量少，电机没有铁损，铜损微小，磁损极低，功率损耗小、效率高。在渐变磁隙的永磁体磁块形成的磁场中，加载正负交变方波电压，以偏移定位的霍尔元件提供导通信号，使转子旋转，产生动力。
2、电机转子部分选用了具有高矫顽力和高剩磁密度的钕铁硼永磁材料，永磁体采用了一种特殊的结构形式——Halbach型永磁体阵列；电机采用外转子结构，将永磁体直接粘到外壳上，避免了永磁体和外壳相互运动产生的涡流损耗；定子电枢采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成。
3、综合印制电机、盘式电机轴向尺寸小的特点，旋绕式平面磁电机的轴向尺寸是同功率普通单相直流电机的1/6~1/2，同时结合永磁电机不需要励磁绕组的优点，使电机的尺寸进一步减小。在外径尺寸相同的条件下，这种旋绕式平面磁电机的轴向尺寸更小，输出功率更大，特别适合用于大功率电动助力车、排风机等对尺寸有严格要求的机械设备上。
4、采用高磁密度永磁体为定子磁极和双层转子线圈设计，使输出相同功率和产生同等驱动扭矩所需的直流电流仅为现有同类单相直流电机的1/3，功率消耗低，输出扭矩大。
5、本设计的旋绕式平面磁电机的转子采用无铁心结构设计方案，并采用空心轴使电机的转动惯量变小，所以电机的起动响应性能得到明显改善。本产品旋绕式平面磁电机信号控制部位采用霍尔偏移定位，适当超前换向，准确输出磁钢极性信号，驱动输出最大电流，产生最大的反电动势，促使输出最大的电磁功率，也就是机械转动轴上输出的最大机械输出功率和转矩，实现零起动。
6、本产品采用无铁心无碳刷设计，线圈采用新式的“平面旋绕法”的绕线结构，减少了励磁方面的铜损和铁损、转子部分的硅钢中的铁损、机械换向部分的碳刷损耗，总计约为30%的损耗，因而电能利用率高，效率高。同时由于不用铁芯、且采用单片旋转绕线，致使所消耗的铜材料较少，也就是说
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相同体积下，旋绕式平面磁电机的功率输出更大，效率更高。与常规的单相直流电机相比，在同等功率条件下，节能效果显著。
六、项目下一步的研究发展目标
1、进一步研制500W和1200W、5000W的电机，目前电机的理论设计已经完成，正处于试制中。
2、应国内一些大型企业要求，为其研发专用的风能电机与电动汽车用电机。
2012-2013：电机定制销售50万台，创立国家级超高效电机研究所。 2013-2014：电机定制销售100万台。
2014-2015：电机定制销售200万台，形成以其研究技术为核心的超高效电机生产链，打造出中国最大的超高效电机生产基地。
2012-2016：电机定制销售400万台，形成企业核心价值观，争取上市。
