气隙就是指电机定转子之间的间隙，由于通常情况下电机定转子之间的这个间隙里充满空气，因此称之为“气隙”。当然，在一些特殊情况下，这个间隙里可能不是被空气所填充，例如：处于真空环境里的电机，这个间隙里自然也是真空；也有些电机内部可能充满了油、水、亦或是其它工作介质，那么这个间隙里充满的则是这些介质。尽管如此，我们还是习惯地称之为气隙，因为无论是真空还是其它介质，它们的磁导率往往都与空气的磁导率差不多，因此对分析电机的电磁性能影响不大。

电机的气隙通常都不大，一般在零点几毫米到几毫米之间，大型电机的气隙也不过几厘米。气隙虽然不大，但它对电机的技术性能和经济性却影响巨大，在电机行业里，有人把气隙看做是电机的一个重要“零件”，虽然这个“零件”是由空气构成的，其本身没有什么成本，但它却从某种程度上决定了电机的成本和性能的好坏。

1、气隙的作用

1.1为转子旋转提供必要的机械间隙

电机的种类繁多，某些电机(如变压器)可能没有气隙，因此首先声明，本文所讨论的是旋转电机。由于旋转电机在运行时，定子和转子之间存在相对运动，因此定转子之间就必须有一个机械间隙(气隙)，否则就会扫膛，转子就不能正常旋转。这是显而易见的，也非常容易理解，勿需赘述。

1.2储存磁场能量

旋转电机是一种基于电磁理论的机电能量转换装置。电机运行离不开磁场，磁场储能是电机进行机电能量转换的“中介”。接下来我们就首先分析一下这些磁场的能量都储存在哪里。如图1所示，是一个最典型的磁路，这个磁路由铁心和气隙两部分组成。

图1 典型的磁路结构

当励磁线圈通入电流时，就会在这个磁路中建立磁场，同时也把电能转换成磁场能量，存储在这个磁路中。磁场储能分布于整个磁场所在的空间里，也就是说，有磁场的地方都会有磁场储能，因此铁心和气隙中都会有磁场储能。根据电磁学相关理论，磁场的储能密度(单位体积储存的能量)为：

wₘ＝B²/(2μ) ⑴

式中：B为磁通密度；μ为所在空间里介质的磁导率。由于空气的磁导率约等于真空磁导率μ₀=4π*10⁻⁷，非常小，而铁心的磁导率μ是气隙磁导率的数千倍，在磁密相同的情况下，气隙中的储能密度是铁心的数千倍，因此，气隙虽小，但其储能密度极高，在磁路不饱和的情况下，绝大部分磁场能量存储在气隙中。电机的磁路结构与之类似，也是由气隙和铁心部分组成(如图2所示)，其磁场储能也是绝大部分存储在气隙中。

图2 电机的磁路

1.3散热

电机在运行过程中会产生各种损耗，这些损耗最终都会变成热量，电机运行时的热源主要分布在气隙两侧，气隙两侧定转子表面的温度通常是比较高的，很大一部分热量都是通过气隙中的流体散发出去的，因此，气隙是电机冷却散热的重要通道。

由上述可见，气隙虽小，但在电机中具有重要作用，是电机安全可靠运行必不可少的重要组成部分。

2、气隙对电机技术性能的影响

2.1 对电磁性能的影响

2.1.1 对电磁参数的影响

电机的电磁性能取决于电磁参数，电抗(电感)是电机的重要参数，电机的电抗包括主电抗和漏电抗。我们知道，电抗与线圈匝数N的平方以及磁路的磁导Λ成正比，即：

X∝N²Λ ⑵

电机磁路的磁导主要取决于气隙，气隙磁导反比于气隙δ，δ越大，磁导越小，相应的电感L也就越小；反之则相反，鉴于文章篇幅所限，以下以气隙增大为例来分析对电机性能和成本的影响，气隙减小时影响相反。

之所以说电抗是电机的重要参数，是因为电抗参数对电机的电磁性能影响巨大。接下来我们就针对各种类型的电机深入讲一讲气隙对各种电机电磁性能的影响。

2.1.2 对异步电机电磁性能的影响

气隙对异步电机电磁性能的影响主要包括：

①对空载电流和功率因数的影响

空载电流和功率因数是异步电机重要的稳态性能指标，如图3所示，为异步电机的等效电路。

图3 异步电机等效电路

其中激磁支路中的激磁电抗Xₘ即为异步电机的主电抗，流过激磁支路的电流即为空载电流I₀。

δ↑→Xₘ↓→I₀↑→cosφ↓

由此可见气隙增大会导致空载电流增大，功率因数降低，这对电机的性能是不利的，因此从降低空载电流和提高功率因数方面考虑，希望气隙越小越好。

②对起动性能的影响

起动转矩Tst和起动电流Ist是异步电机的关键指标。由电机学可知：

Tst=‌(3U₁² *R₂')/｛Ω₁*[(R₁+R₂')²+(Xσ₁+Xσ₂')²]｝⑶

Ist≈U₁‌/√[(R₁+R₂')² +(Xσ₁+Xσ₂')²] ⑷

以上两式中：U₁‌为定子相电压；Ω₁为同步机械角频率；R₁、R₂'、Xσ₁、Xσ₂'分别为定转子电阻和漏抗。由以上两式可知，气隙增大，漏抗减小，一方面起动电流Ist倾向于增大，这是我们不希望的；另一方面，起动转矩与转子电阻和漏抗有关，气隙增大带来的漏抗变化可能使Tst有所增加，这又是我们所追求的。由此可见，增大气隙对起动性能是把“双刃剑”，即有有利的一面也有不利的一面。

③对过载性能的影响

对于异步电机，其最大转矩(失步转矩)代表了过载能力，一旦负载转矩超过电机的最大转矩，就会失步直至停转，甚至反转。由电机学可知，异步电机的最大转矩近似与定转子漏抗之和成反比，即：

Tmax∝U₁‌²/[2Ω₁*(Xσ₁+Xσ₂')] ⑸

由⑸式可知，气隙增大，漏抗减小，使最大转矩会略有增加，从而提升了电机的过载能力。

④对效率和温升的影响

气隙对效率和温升的影响是不确定的，也就是说气隙增大对效率和温升即有正面影响也有负面影响，究竟哪种影响占优，要视具体情况。

先说负面影响：气隙增大导致空载电流增大、功率因数降低，使得定子铜耗会显著增大，使得效率降低、温升增高；再说正面影响：气隙增大会降低附加损耗，有利于效率提高，另外气隙增大有会使通风面积增大，有利于散热。因此综合两方面因素，增大气隙到底对效率和温升有利还是有害要具体问题具体分析。这一点同样适用于同步电机和直流电机。

2.1.3 对同步电机电磁性能的影响

气隙对同步电机电磁性能的影响主要包括：

①对励磁的影响

对于同步电机，空载气隙磁场由转子励磁绕组(电励磁同步电机)或永磁体(永磁同步电机)建立，要建立同样大小的气隙磁场，气隙增大必然需要的励磁磁势增大，对电励磁同步电机意味着励磁安匝数增大；对永磁同步电机意味着磁钢必须加厚。无论如何都需要增加励磁绕组的用铜量或永磁体用量。

②对稳态性能的影响

对电励磁同步发电机而言，短路比、固有稳态电压调整率是其最重要的两个稳态性能指标，从电力系统运行的稳定性和供电品质角度出发，希望发电机的短路比尽量大，固有稳态电压调整率尽量小。这两个指标都与同步电抗这个重要参数密切相关，其中短路比与直轴同步电抗的标幺值成反比；固有稳态电压调整率与直轴同步电抗和交轴同步电抗正相关。气隙增大，同步电抗减小，短路比增大、稳态电压调整率减小，因此增大气隙对这两个重要指标都是有利的，但转子用铜量增加，使得材料成本提高，这就叫“一分钱一分货”。

对永磁同步电机而言，增大气隙，同步电抗减小，有利于功率因数和效率的提高，但永磁体用量增加，同样是“一分钱一分货”。

③对静态稳定性和过载能力的影响

功角特性是同步电机的重要特性，它决定了同步电机运行时的静态稳定性和过载能力，以隐极同步电机为例，其功角特性如图4所示。

图4 隐极同步电机的功角特性

其表达式为：

Pₑₘ=(m*E₀*U/Xₛ)*sinθ⑹

式中，m为相数；E₀为空载反电势；U为定子端电压；Xₛ为同步电抗；θ为功角。从运行的静态稳定性和过载能力角度考虑，运行时的功角必须小于90°，而且功角越小过载能力越强，运行越稳定，功角超过90°就会静态失稳，这一切都希望功角特性的最大值越大越好，由⑹式可见，功角特性的最大值与同步电抗Xₛ成反比，气隙增大，Xₛ减小，功角特性的幅值增大，过载能力更强，运行趋于更稳定。

2.1.4 对直流电机电磁性能的影响

直流所说的直流电机指那种带换向器的有刷直流电机。对直流电机，气隙增大，如果保持气隙磁场不变，必然需要的励磁磁势增大，对电励磁直流电机而言，意味着增加励磁安匝数，对永磁直流电机而言，意味着增加永磁体用量；如果保持励磁磁势不变而增大气隙，那么气隙磁密必然减小，要么电枢电压降低，要么转速提高。另外增大气隙有利于直流电机的换向。

2.2 对振动噪声的影响

首先，电机的电磁振动和噪声由气隙中的径向和切向电磁力波引起，而电磁力波与气隙密切相关，有句行话叫“气隙是力波放大器”。

其次，由于气隙是风路的一部分，气隙中的空气流速往往比较大，因此气隙大小也与空气动力学噪声有关。

第三，气隙大小会影响到因气隙不均匀导致的偏心力，如单边磁拉力等，进而影响到机械激振力。

通常情况下，增大气隙对以上三种激振力都有改善作用。也就是说，增大气隙是减小电机的振动噪声的有效手段。这对于家用电器、电梯、电动汽车等对噪声有严格要求的应用场景至关重要。

2.3对机械特性与可靠性的影响

2.3.1 对装配与运行可靠性

较大的气隙为转子提供了更大的径向位移裕度。这可有效容忍更大的转轴挠度、更大的轴承游隙与轴承磨损、更大的热膨胀不均、更大的制造与装配误差等。因此，增大气隙能显著降低因上述因素导致的定转子扫膛风险，极大提升电机的运行可靠性，延长使用寿命。这是工程上牺牲部分电磁性能以换取可靠性的经典案例。

2.3.2 对结构刚度要求的影响

气隙增大，单边磁拉力的理论最大值会有所减小，但更重要的是，它降低了磁拉力对转子偏心位移的灵敏度（即刚度系数）。这使得电机对转轴和轴承座的刚度要求相对放宽，有利于结构设计。

3、气隙对电机成本的影响

气隙尺寸的选取，是一个贯穿设计、材料、工艺、质检全链条的成本决策点。

3.1 设计成本与材料成本

减小气隙：为追求高效率、高功率因数，需极力压缩气隙。这迫使设计上采用更精确的电磁计算、更复杂的多物理场仿真（结构、热、振动）来确保安全性。同时，为维持小气隙下的可靠性，必须使用更高品质的材料（如更高牌号的硅钢片以降低铁耗、更优的轴承）、更严格的公差设计，并可能需增加结构强度和结构刚度(如更厚的机座)，这些都推高了材料成本。

增大气隙：设计可相对简化，对材料和结构强度的要求有所降低，直接节省材料成本。但为补偿性能损失，需要增加励磁安匝数或永磁体厚度，亦或为了补偿功率因数损失，可能需要略微增加铁心长度或调整绕组来保证出力，这无疑都会增加材料用量。

3.2 工艺制造成本

减小气隙：对制造精度要求极为严苛。需要高精度的加工设备来保证相关零部件的尺寸和形位公差；需要更精细的装配工艺和工装设备来保证装配解毒；对生产环境的清洁度要求更高，以防微小杂质落入气隙。这些均导致加工工时延长、废品率风险上升，显著增加制造成本。

增大气隙：公差带可放宽，对加工设备和装配工人的技术水平要求降低。可以采用更经济高效的加工方法，装配流程简化，生产线节拍可能加快，良品率提高。这是降低大批量生产成本的关键因素之一。

3.3 质量控制与维护成本

小气隙电机的检测需要更精密的仪器，且在使用中因更易发生扫膛故障，其潜在维护成本高。大气隙电机则质量控制更易实施，现场运行故障率低，全生命周期的维护成本显著下降。

4、结论

综上所述，气隙，这个以毫米甚至微米度量的微小空间，远非一个简单的物理空隙，而是电机电磁性能、机械可靠性及整体经济性的核心调控杠杆，是电机设计中牵一发而动全身的核心参数，设计者必须在多重相互制约的因素中寻求最佳平衡点。

①气隙里虽然充满的是免费的空气，但它却是电机里“最贵的一段磁路”，因为绝大部分磁场能量就储存在气隙里，而要把存储这些磁场储能，必须要付出昂贵的磁钢、铜作为代价。

②从总的趋势来看，增大气隙有利于提高电机的过载能力和运行安全性、可靠性。从另一个角度理解这段话，就是电机是一种机电能量转换的装置，而要想实现机电能量转换，必须要有一种“中间介质”，这个“中间介质”就是磁场储能，气隙就是储存这个“中间介质”的“池子”，无论是通过机械端口输入或输出的机械能还是通过电端口输入或输出的电能，都必须经过这个“池子”里“中间介质”，才能得以转换。“池子”越大，容纳的“中间介质”越多，能量转换的规模就可以越大，过载能力就越强，运行就越平稳可靠。这就像银行里兑换外币，银行就是一个各种钱币的“转换装置”，银行里有个资金池子，池子里面存有大量各国钱币的本金，这就是钱币兑换的“中间介质”，资金池子越大，里面的本金越多，可兑换的钱币规模就越大，抗挤兑的能力就越强，兑换的稳定性和可靠性就越高。

③气隙还是一个成本“调节阀”，从总的趋势看，气隙越大，材料成本就趋于越高，工艺制造成本和生产管理成本就趋于越低。

④从总的趋势看，对于同步电机和直流电机，增大气隙更有利于绝大部分性能的提高，但成本趋于增加，特别是材料成本，增加显著；对于异步电机，增大气隙，稳态性能趋于恶化，起动性能和过载性能趋于改善，振动噪声显著改善。

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