氣隙/氣隙磁通量在電機(jī)中有什么作用？如何才能合理設(shè)計(jì)？

氣隙是電機(jī)設(shè)計(jì)中的主要問題之一，電磁器件的磁路中含有低電阻的材料（如鐵），這樣可以最大限度地減少產(chǎn)生磁場所需的電能。磁路中的間隙通常是不可避免的，它們含有空氣，這提供了對磁通量的高電阻，這樣的間隙需要在磁化電流和相關(guān)的電損耗方面的是有害的。

氣隙是磁路的非磁性部分，它通常與電路的其余部分串聯(lián)在一起，這樣就有很大一部分磁通量流過間隙。氣隙可填充非磁性材料，如氣體、水、真空、塑料、木材等，而不一定只填充空氣。

氣隙的影響

定子和轉(zhuǎn)子是電機(jī)的兩個(gè)主要部件，它們是磁耦合的，能量通過磁場從兩邊通過機(jī)器傳遞的，氣隙小可以帶來低噪音，較小的不平衡磁拉力。由于氣隙磁阻的增加，磁通量擴(kuò)散到周圍介質(zhì)中，會導(dǎo)致磁通邊緣效應(yīng)，這是一種不必要的現(xiàn)象，它會增加位于空氣間隙附近的導(dǎo)體中的鄰近和渦流損耗。氣隙會引起轉(zhuǎn)子與定子之間磁鏈的減少，被看作是一種損耗。由于定子和轉(zhuǎn)子繞組之間的磁通量降低，從而削弱磁能的傳遞，大的氣隙意味著更多的磁化電流和低的功率因數(shù)，大氣隙的正側(cè)對電動機(jī)的過載能力有較好的影響。

氣隙可能是確保設(shè)備正確性能的一個(gè)組成部分，它應(yīng)該盡可能小，氣隙的形式、形狀和大小取決于磁路的類型和形狀，這由工作原理、性能、尺寸、效率和許多其他技術(shù)因素決定。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，由于定子和轉(zhuǎn)子之間需要物理運(yùn)動，氣隙通常是不需要的，但不可避免，工業(yè)機(jī)器的最小實(shí)際氣隙約為0.2毫米。在繼電器中，氣隙通常是一個(gè)不可分割的部分，有助于固定部分（如繞組和磁芯）和主動電樞之間的運(yùn)動，機(jī)械地驅(qū)動主電觸點(diǎn)的連接或斷開。在傳統(tǒng)的變壓器中，通常避免氣隙，變壓器的作用是將一次繞組的能量瞬間輸送到二次繞組，而無需儲能。

電機(jī)的氣隙

氣隙是電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙，一個(gè)“自由開放的空間”將兩個(gè)電機(jī)部件物理分離，由于轉(zhuǎn)子和定子不是磁耦合的，所以它們之間存在空氣間隙。當(dāng)適當(dāng)?shù)墓┙o（取決于機(jī)器的類型）時(shí)，磁場被建立并連接定子和轉(zhuǎn)子，由于存在氣隙，某些部分磁場通過轉(zhuǎn)子或定子，但不是兩者都通過，這部分磁通被稱為漏磁或氣隙磁通（因?yàn)樗鼏为?dú)通過氣隙）。這種漏磁通在功率傳輸中不起作用，因?yàn)樗c定子和轉(zhuǎn)子都沒有連接，為建立漏磁通而產(chǎn)生的電流使機(jī)器功率損失。

定子和轉(zhuǎn)子都是由磁性材料（通常是硅鋼）構(gòu)成的，芯介質(zhì)的磁導(dǎo)率越高，磁阻越小，空氣的磁導(dǎo)率更低；磁阻越大，氣隙越長，漏磁越大導(dǎo)致功率越小。因此，空氣帶長度保持在盡可能短的范圍內(nèi)，以便在轉(zhuǎn)子和定子之間分離，并提供所需的機(jī)器機(jī)械平衡。一個(gè)自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子預(yù)留大約2毫米的間隙，作為一個(gè)犧牲性的磁力損失，從而使電機(jī)或發(fā)電機(jī)能夠正常的機(jī)械操作。

在同步電機(jī)和直流電機(jī)中，兩個(gè)獨(dú)立的磁場在氣隙中相互作用，電樞產(chǎn)生的交流磁場（在同步電機(jī)中靜止，在直流電機(jī)中旋轉(zhuǎn)）扭曲了直流磁場的供應(yīng)，降低了效率，降低了電機(jī)性能，增加氣隙會減少“電樞反應(yīng)”的影響，因此，這些機(jī)器的氣隙將比感應(yīng)電動機(jī)的氣隙大幾倍。在感應(yīng)電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電動勢是相互感應(yīng)的電動勢，當(dāng)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電動勢是通過相互感應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)，感應(yīng)電動機(jī)可以看作一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器，如果氣隙越大，漏磁通越大，相互磁通越小，從而降低轉(zhuǎn)子的電動勢、電流和轉(zhuǎn)矩。

在同步電機(jī)中，磁通量是通過磁場繞組單獨(dú)設(shè)置的，定子電樞繞組中感應(yīng)的電動勢不是通過相互感應(yīng)產(chǎn)生的，而是由于磁場和導(dǎo)體之間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生的動態(tài)感應(yīng)電動勢，因此，不考慮氣隙。對于凸極電機(jī)，在兩極之間的區(qū)域，氣隙會大得多。發(fā)電機(jī)中旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與定子分離所需的氣隙應(yīng)盡可能小，以降低磁化功率要求，但應(yīng)足夠大，以防止兩者之間的接觸，制造公差在其尺寸上，或由于機(jī)械偏轉(zhuǎn)和支承軸承松動而引起的移動。

結(jié)論

在任何情況下，間隙必須足夠大，以確保轉(zhuǎn)子相對于定子的偏心度不會導(dǎo)致軸剛度被不平衡磁拉力影響，這可能使轉(zhuǎn)子撞擊定子。常用的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算包括轉(zhuǎn)子圓周速度、堆芯長度和轉(zhuǎn)子直徑，增加氣隙會增加磁化電流，也會減少雜散負(fù)載損耗。很少有設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來選擇最適合于任何旋轉(zhuǎn)機(jī)器的氣隙尺寸，對于感應(yīng)電動機(jī)，在3/4到750千瓦的額定功率范圍內(nèi)，0.2到5毫米的實(shí)際值是典型的，電動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，間隙越大。

來源：老趙說制造

審核編輯 黃昊宇