无铁心电机是在弗莱明定则下产生转矩的，是原 理简单的电机。磁场中的导体在电流通过时产生力。转动的电机会产生下列现象。

（1）转动的电机总是在线圈上产生感应电压 电机转动的时候，转子的永磁体产生的磁通量切 割线圈（导体），产生感应电力而形成电压（感应电压）， 这就是弗莱明右手定则。这里的感应电压，在电机转 动的过程中，无论对线圈是否施加电压都会产生。

 （2）通过从线圈的感应电压中获得的电流实现再生 电机转动，线圈产生感应电压，从中获取电流时， 根据弗莱明右手定则，起到发电机的作用，电机的旋 转方向上产生阻力［图 1（a）］。 

图1

（3）施加的电压大于感应电压时产生驱动力 施加大于感应电压的电压时，根据弗莱明左手定 则，起到电机的作用，产生驱动力［图 1（b）］。

 从玩具中使用的小型电机，到大型工业电机，通 常电机都是在铁心上缠绕线圈的，这一点应该不难想象。参加 WEM 这样的 EV 比赛的人中，如今自己制作 电机的人虽然越来越多，但是几乎没有听到谁说制成 了无铁心电机的（在笔者所知的范围内）。为何无铁心电机不像一般电机那样容易制作呢？ 

（1）仅仅因为不熟悉吗？很多人小时候可能接触过万宝至电机，对电机是 电磁体（线圈）与永磁体相互吸引 / 排斥的工作原理很 熟悉。但是很少有机会接触无铁心电机，无铁心电机 的知名度很低。 

（2）线圈本身的强度和精度要求高，制作困难 有铁心电机的金属加工、线圈制作可以分开进行。无铁心电机的线圈本身需要一定的强度和精度，加工 难度大，并且需要熟知机械和电气两方面的知识，所 以很难普及。1 号无铁心电机的设计理念 笔者以下列事项为重点进行首次无铁心电机的 设计。

 （1）如何通过强大的磁通量 通过弗莱明定则可知，磁通量增加一倍，相同的 转速下可以获得两倍的感应电压。也就是说，想要让强大的磁通量通过线圈，由于 与铁相比磁通量通过空气的难度要大 1000 倍，因此要 尽可能地减小电机的气隙。此外，还要尽可能地使用 磁力强大的磁体。另一方面，参加 EV 比赛的车辆，质量小也是非 常重要的，需要通过与性能对照来确定磁体的厚度和 气隙。 

（2）为了使间隙达到最小，填充更多的导体 为了确保通过大的磁通量，笔者希望减小电机的 气隙。为了减小线圈的电阻，应该尽可能地加粗铜线。为此，线圈与磁体的间隙要达到最小。此外，无铁心 的状态下，要对线圈本身进行施加驱动力的补强，从 这方面来看，也要尽量减小线圈的厚度。

接下来进行无铁心电机的设计，与非晶合金电机 不同，这里的磁体与线圈的关系发生了很大的变化。本次开发的无铁心电机的磁体与线圈的关系如图 2 所 示。

图2

平面上经过凹凸成型的线圈的两侧是可以安装磁 体的结构。电机的截面图如图 3所示，

图3

电机（包括轮毂）的 侧面图如图4 所示，

图4

定子（从线圈侧来看）如图 5 所示。

图5

该电机的诸元素见表 1。

表1

定子虽然不能有铁心，但是也不能是只有铜线的 软绵绵的结构体。将线圈用补强材料夹在中间，并用 环氧树脂裹住铜线后固化，形成结构体。补强材料需要具备以下物理性质：

 • 是绝缘体 

• 没有磁性 

• 高耐热性

• 高强度

 • 高刚性（不容易拉伸）

 • 易黏合

 • 易成型

 满足这些物理性质要求的材料有玻璃纤维、陶瓷 纤维、玄武岩纤维等无机纤维和芳香族聚合物纤维。本次使用的是玻璃纤维。玻璃纤维不仅在电路板和 FRP 成型品中有应用，而且还是透明的，可以看清楚 铜线的位置和状态。另外，定子线圈表面附着有补强材料，为了保证 其厚度不会在转子转动过程中与磁体发生干涉（接触）， 需要留有一定的间隙。因此，笔者改变参数进行了计算， 并做了如下设定。

 a 线圈接线方式：3 串 2 并；

 b 线 圈 厚 度：3mm（铜线 2mm + 补强材料 0.5mm×2）；

 c 间隙：两侧各 1mm；d 气隙：5mm。

磁体，单侧为 40 个（N：20 个，S：20 个），由 于线圈夹在两侧的磁体之间，使用的磁体总数为 80 个 （参照图 6）。

图6

 平均每个磁体的夹角为 360°/40 = 9°。与此对应， 分别配置了 U、V、W 三相的 3 个线圈。同时，每个线圈的截面都为六等份分割。为了使 感应电压与电源电压达到平衡，采用 3 串 2 并的接线 方式（图7）。

图7

电机使用的是海尔贝克阵列磁体（在后文 中说明），制作工艺非常复杂。因此，笔者使用的是 N/S 磁体与背轭构成的一般磁路。磁体用的是残留磁通 密度等级高的钕铁硼磁体（N45）4mm 厚度。采用线圈两侧被磁体夹住的结构，这样气隙的方 向与电机的旋转的中心轴在同一方向上，因此，也称 为轴向结构。

如前所述，笔者想要尽量减小间隙，但是确定为 1mm 并没有明确的根据。感觉有这么大间隙，就算部 件发生松动和震动等也不会发生接触（图 6）。

有铁心电机可以通过改变线圈匝数来改变电机的 转速。但是，无铁心电机为无法进行线圈匝数调整的结构。不过，它是由磁体从两侧夹住线圈的结构，如 果空间允许，可以增加垫片来调节磁通量的大小。可 是无法达到目标磁通量大小时也无法重新调整（磁通 量过大→转速慢，磁通量过小→转速快），这种不安 一直要到电机实际运转起来之后才能消除。