电机设计：内转子与外转子的选择（I）

近来有不少客户询问：在电机设计中，究竟应该选用内转子还是外转子结构？

虽然笔者先前的文章中已简单描述两者的优劣，但多为文字上的直观认识，缺乏理论与数理分析。本文将进一步从设计逻辑出发，探讨两种结构在磁场作用、转矩输出与加速性能等方面的本质差异，为设计选型提供更具依据的参考。

一、建立比较基准：几何模型统一化

为使分析具可比性，先统一几何条件如下：

电机完成外径：100

转子磁铁厚度：5

定子绕线槽深度：15

轭部厚度（定、转子皆同）：10

定转子气隙：1

在此架构下可画出等效剖面图，并观察磁场交互作用的位置直径：

内转子电机：交互直径约为 48

外转子电机：交互直径约为 68

两者相差达 20，这主要源自磁铁厚度与绕线槽深度的加总所致，并因圆径特性（半径变化造成面积平方增长）放大差异。

延伸理解：在实际设计中，磁铁可能更薄、绕线槽更深，这使得内外转子在磁场作用点的直径差距可能更大。

二、转矩输出与磁场作用半径

电机转矩 T 可由以下关系式近似描述：

T=B×I×L×D×N×sin(δ)

其中：B 为磁场强度、I 为电流、L 为有效长度、D 为磁场作用直径、N 为线圈匝数、δ 为磁电交互角。

此处的 D，即是我们前述探讨的磁场交互点直径。虽然多数情况中会以内转子的「转子外径」代表 D，但对外转子电机而言，更应以「转子内径」为准确代表。

根据上例：

内转子：D = 48，转矩 ≈ 48² = 2304

外转子：D = 68，转矩 ≈ 68² = 4624

差距几近2 倍，也就是说，在外径相同的前提下，采用外转子设计可以大幅提高转矩输出能力。

结论一：在有限体积下若追求高转矩，外转子电机更具优势。

三、转动惯量与加速反应

但既然外转子转矩强，为何内转子仍为市场主流？答案在于加速性能与转动惯量。

从机械动力学角度来看，转矩输出后会先转换为加速度：

α = T/J

而转动惯量 J 的公式为：

J = m×r²

其中 r 为质点与旋转轴的距离，也就是半径。当转子的平均半径越大，J 就越大，导致加速反应变慢。

实际比较：

内转子：r ≈ 24，J ≈ 24² = 576（比例推估为 2304）

外转子：r ≈ 50，J ≈ 50² = 2500（比例推估为 10000）

即使外转子能提供双倍转矩，转动惯量却可能是其4 倍以上，这导致其加速时间拉长，无法实时展现其转矩优势。

结论二：若应用场景要求快速起动与频繁加减速，内转子电机反而更有利。

四、补充：内转与外转磁场作用差异

这张图示清楚呈现两种电机在磁场交互位置的几何差异。

内转子磁场交互点靠近中心（直径较小）

外转子则扩展至外围，能提供更大机械力臂

但反过来看，外转子的半径变大，也代表其惯性增大、启动与停止速度变慢，这在需要高动态响应的场景中是一项限制。

五、总结选型建议

结语

内转与外转子电机并无绝对优劣，而是依据实际应用需求选择最适方案。

若您的产品需要「高转矩 + 稳定转速」，选择外转子无疑更具效益；

但若要求「快速响应 + 灵活控制」，那么内转子仍是主流的选择。

接下来的〈下篇〉将深入分析：在不同应用情境（如风扇、主轴、驱动轮）中，内外转子的实际性能表现与设计考量。