第1章 緒論

1.1 電機的定義及分類

眾所周知，電機是依據電磁感應定律實現能量轉換或傳遞的一種電磁裝置，包括電動機和發電機。電機內的氣隙磁場是電機進行機電能量轉換的媒介。電機內磁場產生的方式有兩種，一種是由電磁鐵產生的磁場，即將電機繞組纏繞在鐵磁材料做成的鐵心上，在電機繞組內通以電流來產生磁場；另一種是由永磁體產生的磁場，它不需要勵磁繞組，因此也不需要供給勵磁繞組電流，電機的結構變得簡單，電機的效率提高了。根據磁場產生的方式，電機可分為電勵磁電機和永磁電機兩種。根據電機內磁力線通過氣隙的路徑，電機又可分為徑向磁場電機、軸向磁場電機和橫向磁場電機。

1.1.1 徑向磁場電機

顧名思義，在徑向磁場電機中，磁場是沿徑向通過氣隙的，氣隙呈圓柱形，定子和轉子是沿徑向同心式安裝的，電機的定子與轉子均為圓柱形的，如傳統的直流電機、異步電機和同步電機就是徑向磁場電機。徑向磁場電機的結構和磁路示意圖如圖1.1所示。若轉子安裝在定子的內部，則稱為內轉子電機，若轉子安裝在定子的外部，則稱為外轉子電機。外轉子電機的定子被轉子包圍在里面，散熱性能不好，但轉動慣量大，轉矩脈動小。一般情況下，內轉子電機使用比較多，只有在比較特殊的場合下才使用外轉子電機，如用外轉子電機直接驅動皮帶來運輸物體，輪轂電機一般采用外轉子電機，轉子直接安裝在輪胎里面。徑向磁場電機的磁路結構是二維的，磁路比較簡單。在硅鋼片疊片鐵心的電機中，平面磁路可以獲得良好的磁性能，但也限制了設計的多樣性。由于定子、轉子鐵心采用硅鋼片軸向疊壓，制造簡單，因此目前徑向磁場電機獲得了廣泛的應用。

1.1.2 軸向磁場電機

軸向磁場電機的拓撲結構不同于徑向磁場電機的拓撲結構，其磁力線是沿軸向通過氣隙的，氣隙呈平面型，定子與轉子沿軸向交替排列而成，電機的磁路是三維的，給轉子磁路的設計帶來了很大的靈活性。由于氣隙磁場沿軸向分布，電機的定子與轉子均為圓盤形的，因此軸向磁場電機又被稱為盤式電機。

軸向磁場電機定子、轉子可設置一個或多個，構成單定子單轉子盤式、中間定子盤式、中間轉子盤式，以及多定子多轉子盤式電機。軸向磁場電機的最小盤數為2，但是為了使電機結構更具對稱性，以消除盤與盤之間的磁拉力，并且為了得到更大的氣隙面積以增加輸出，一般都使用三個盤或三個以上的盤。圖1.2所示為軸向磁場電機的結構示意圖。

1.1.3 橫向磁場電機

橫向磁場電機的拓撲結構與徑向磁場電機和軸向磁場電機的拓撲結構均不相同，它的整個定子鐵心由多個C形定子鐵心繞電機轉軸沿周向排列組成，轉子呈圓盤形，轉子外圓周上均勻分布著N、S極性交替排列的永磁體。轉子上安裝的永磁體位于C形定子鐵心的缺口中。永磁體之間有間隙，永磁體磁通方向與電機轉軸平行，磁力線軸向通過氣隙，因此，橫向磁場電機屬于軸向磁場電機的范疇。橫向磁場電機磁路和電路（線圈部分）不在同一平面上，實現了電路與磁路的解耦。橫向磁場電機的磁路與軸向磁場電機的磁路一樣，也是三維的，橫向磁場電機有許多部件，工藝比較復雜，成本較高，控制比較困難。圖1.3所示為橫向磁場電機的結構示意圖。