电机制造业：德日专利垄断下的空心杯电机

由德国Fritz Faulhaber Sr. 博士发明并于1958年注册专利的System FAULHABER自承式空心杯斜绕组转子，是直流电机的核心部件，这项革命性的技术改变了电机产业并为客户开启了全新的应用思路，以最小的体积和重量获得最大的功率并有最优的动态特性。

日本技术

20世纪60年代，日本音响业发展中的竞争主要集中在高性能（Hi-Fi，高保真）上，市场要求提高盒式磁带的保真度。弹匣结构由一个固定在铝管上的金刚石触控笔组成，该触控笔追踪记录在留声机唱片中的凹槽，以获取声音数据。这种由金刚石触控笔产生的振荡信号被传送到位于铝管另一端的磁铁上，磁铁在那里与线圈接触，从而产生声音。

为了满足市场对高保真音响的需求，日本开发了一种稀土磁铁，其产生的磁力是传统磁铁的10倍。采用该技术日本开发了世界上最小的无芯直流电机，并生产了一个高端动态范围扬声器，当时绕线技术可以将一根0.03mm的导线绕3000圈。为此，日本开发了一种专用绕线机，最终使日本能够开发绕组技术，满足无芯直流电动机所需的微线圈绕组技术。

空心杯斜绕组技术

无铁芯的自支撑绕组由所谓的漆包线制成，这是一根绝缘铜线，外面有一层漆。在制造过程中，通过施加压力和温度将相邻电线的漆熔化在一起。油漆是一种热塑性塑料，含有一种使其易于成型的溶剂。在制造过程中的高温下，溶剂气体逸出，热塑性体变硬，这将导致绕组的必要稳定性和刚度。 适当的粘合（胶带或玻璃纤维）可进一步提高缠绕的强度和形状稳定性。这一点在高电流负载下尤为重要，因为在高电流负载下，绕组变热，油漆变软。

现在市场上绕线组合分为三种：缠绕一圈的形状是菱形的（这里显示在中间）；电线在绕线筒上呈对角线排列（右侧）。对于非常长的绕线筒，最好有一个六角形的绕线圈（在左边）

绕组的编织方式

薄壁绕组（电机的窄气隙）作为一个整体生产，导线绕成扁平带，并定期进行连接，然后制作典型的菱形形状，并用钢带卷成圆柱体。

厚壁绕组（例如用于稀土电机的大气隙）由单独的绕组段或“编织”组成，这个过程要耗费很多时间。

电流方向

电流由一个电刷在一侧供电，然后它分裂，一半电流流过绕组的提升部分，另一半电流流过右侧。在相反的接触点，两个电流重新结合并通过另一个电刷离开绕组。左边的图表显示了对电流分布的深入分析。连接处进入绕组，并将其留在中间。分别观察绕组的两部分，我们可以看到电流在两部分中以相反方向的圆形流动。对平均电流的更详细分析给出了顶部和底部的两个三角形区域，平均电流流向左侧或右侧。

在绕线筒上，这些电流指向切向，不会增加电机转矩。此外，左右两侧有两个菱形区域，电流基本上流向顶部或底部。在电动机中，这些电流沿轴向流动。加上绕组的两半，我们甚至可以得到一个精确的轴向平均电流。综上所述，绕线筒另一侧的两个菱形电流区，电流是轴向和反向的。菱形的角度位于承载电流的绕组连接处。

空心杯斜绕组的优点

无铁心直流电动机无铁损，在传统的设计中，铁心会永久地改变其磁化强度。这会消耗能量，因为磁滞回线必须在每次轴旋转时穿过。此外，这些磁通变化会在铁心中产生涡流，导致功率损耗随电机转速的平方而增大。相比之下，在无铁芯电机中，磁化是永久性的和恒定的。（近似地，可以忽略绕组磁场的影响）因此没有铁损失。结果表明，该电源损耗小，效率高，空载电流低。 在无铁设计中，铁心的狭窄部分（齿底部）不会发生饱和，因此产生的转矩与电机电流成正比，可以使用最强的永磁体，而不受铁芯中最大磁通量的限制。磁铁技术的进步导致了更强大的马达。

高性能磁性材料的使用使电机具有高功率密度，中心磁铁产生总磁路中的“长”永磁部分，这将导致气隙中的高磁通密度，通过使用最强的磁铁进一步增强。因此产生的扭矩增加。没有铁芯，转子是一个空心圆柱体，质量惯性大大降低。与高扭矩相结合，这将产生机械时间常数为几毫秒的动态驱动，最强的马达的时间常数甚至低至1毫秒。

从电学的角度来看，缺少铁芯意味着绕组电感要小得多。在换相过程中，电流切换过程中所涉及的磁能较少。这减少了电刷火灾-典型的放电时发生的接触电感负载被打破。换向器电刷系统受影响较小，使用寿命较高。减少的刷火产生的电磁辐射更少。如果需要的话，这些干扰更容易抑制在无芯电机上。

空心杯电机应用领域

杯形转子线圈重量很轻，转动惯量小，能使电机快速启停，由于定子转子定位无齿槽，具有旋转平稳、噪声低、振动小的特点，由于电动机仅由稀土磁体、线圈和转子组成，所以可以制成紧凑型电动机。基于上述原因，空心杯电机在许多需要高精度、高速响应、紧凑高效的应用中得到了应用。比如医疗仪器、人体义肢、机器人、照相机和一些特殊领域，甚至在无人机、高精密测量领域及航天航空等方面。

总结

空心杯电动机的生产，由于其绕线和自动化工艺复杂，生产自动化程度和制造规模远不如铁芯电机成熟，而且对操作者的技能水平要求高，这给大规模生产带来很多困难和限制。我国对空心杯电机的开发研制工作有很长的历史，随着对日本和德国工厂技术学习和引进，直到现在才得到了较快发展。很多国内空心杯电机制造厂商开始替代进口产品，而且已有能力开始参与国际市场的竞争。