大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)
王民生（西安微電機(jī)研究所710077）
【摘 要】針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組合擰緊系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的要求，提出了大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)，特別是混合式驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想，并對(duì)其特性和設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，給出了一些計(jì)算公式。
【敘 詞】無刷直流電動(dòng)機(jī)稀土永磁材料／大長細(xì)比／混合式驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)
1引言
隨著稀土永磁材料和電子技術(shù)的發(fā)展，作為機(jī)電一體化的無刷直流電動(dòng)機(jī)正在逐步取代傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)除了保留有刷直流電動(dòng)機(jī)的良好機(jī)械特性外．還具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，用電子換向代替機(jī)械換向，從而可靠性高，便于高速運(yùn)行，無電火花及電磁干擾，很少需要維護(hù)，特別適用于高真空、高氣壓、大振動(dòng)、有害介質(zhì)、易燃、易爆等為一般有刷直流電動(dòng)機(jī)難于適應(yīng)的惡劣環(huán)境。采用“里翻外”設(shè)計(jì)，電樞為定子（熱源），同殼為一體，散熱條件好；轉(zhuǎn)子慣量小，響應(yīng)快。近年來在汽車工業(yè)、航空工業(yè)等領(lǐng)域，一種全新的標(biāo)準(zhǔn)組合擰緊系統(tǒng)正在越來越多地被使用，作為該系統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所用的無刷直流電動(dòng)機(jī)，特別是大長細(xì)比的高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)正在迅速增長，但目前國內(nèi)所采用的基本上都是進(jìn)口電機(jī)。本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)組舍擰緊系統(tǒng)對(duì)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的要求，對(duì)適合該系統(tǒng)使用的大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析。
2系統(tǒng)要求
標(biāo)準(zhǔn)組合擰緊系統(tǒng)多用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)等生產(chǎn)線，要求其驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有高的可靠性，且維修簡單方便。在該系統(tǒng)中，通常一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)板手頭，一個(gè)板手頭擰緊一個(gè)螺釘，由于螺釘孔位的限制，往往要求眾多扳手頭密集排列。為了減少不必要的變位裝置，要求采用由扳手頭、扭矩傳感器、減速器、無刷直流電動(dòng)機(jī)等聯(lián)接而成的細(xì)長直桿式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為了提供足夠大的擰緊力矩，所采用的無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅要具有大長細(xì)比的細(xì)長結(jié)構(gòu)，而且應(yīng)能輸出大的力矩。由于高性能稀土永磁材料的應(yīng)用和電子技術(shù)的發(fā)展，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)體積小、出力大，從而能更好地滿足大長細(xì)比大力矩的設(shè)計(jì)要求，這是其它類型的電機(jī)較難辦到的。為了提高系統(tǒng)的工作效率，要求螺釘在擰緊之前的擰進(jìn)過程中能夠快速擰進(jìn)，另外該系統(tǒng)在控制方法上有扭矩控制、轉(zhuǎn)角控制和屈服點(diǎn)控制。除第一種控制方法外，其余兩種控制方法還需要電機(jī)傳感器不僅能提拱電機(jī)換向信號(hào)，而且還能夠提供一定精度的位置反饋信號(hào)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)組合擰緊系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)的大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)有以下特點(diǎn)：
a．可靠性高、壽命長、維修簡單方便。
b．呈大長細(xì)比的細(xì)長結(jié)構(gòu)，體積小、效率高。
c．低速時(shí)能輸出大力矩，過載能力強(qiáng)。
d．輕載時(shí)能高速運(yùn)轉(zhuǎn)，速度范圍寬。
e．轉(zhuǎn)子慣量小，響應(yīng)快。
f．能提供一定精度的轉(zhuǎn)角位置信號(hào)。
3基本原理和結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式較多，在本方案中，由于系統(tǒng)的特殊要求，使得設(shè)計(jì)時(shí)不能直接借用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，而采用了一種新方案——混合式驅(qū)動(dòng)方案，如圖2所示，定子為三相Y連接，中線引出。運(yùn)行狀態(tài)分為兩段，如圖3所示，輕載高速區(qū)(I區(qū))為單相導(dǎo)通三狀態(tài)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)功率晶體管導(dǎo)通角為120度，導(dǎo)通順序?yàn)閍0、b0、c0；低速大力矩區(qū)（Ⅱ、Ⅲ區(qū)）為兩相導(dǎo)通六狀態(tài)運(yùn)行，功率晶體管導(dǎo)通角仍為120度。本方案在電機(jī)體積小的條件下，既滿足了低速時(shí)的大力矩要求，同時(shí)又滿足了輕載時(shí)的高轉(zhuǎn)速要求，發(fā)揮了機(jī)電一體化的優(yōu)勢，體現(xiàn)了高效率、高出力體積比、寬速度范圍等特點(diǎn)。
在圖3中，界限1-第一速度界限，界限2-狀態(tài)切換界限，界限3-第二速度界限，界限4-連續(xù)工作發(fā)熱界限，界限5-間歇工作發(fā)熱界限，M,額定力矩，地峰值力矩，Tlmax-****轉(zhuǎn)速，I區(qū)——輕載連續(xù)工作區(qū)，Ⅱ區(qū)——低速大力矩連續(xù)工作區(qū)，皿區(qū)——低速大力矩間歇工作區(qū)。在II區(qū)內(nèi)任何一點(diǎn)，電機(jī)都可長期運(yùn)行，但在Ⅲ區(qū)，只能短時(shí)運(yùn)行。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有各種各樣的形式，從大長細(xì)比大力矩這一特殊要求考慮，較好的選擇是采用徑向磁路結(jié)構(gòu)。如圖4所示，采用瓦形的高性能稀土永磁材料粘貼在轉(zhuǎn)子鐵心外圓表面，外表面采用聚酯無緯帶纏繞并涂以三防清漆固化形成的護(hù)環(huán)加固。
位置傳感器的形式多種多樣，較多采用的有兩種，電磁式位置傳感器和由霍爾集成電路構(gòu)成的位置傳感器。如果位置伺服精度要求較高時(shí)，可采用旋轉(zhuǎn)變壓器作位置傳感器。
4特性方程
4.1 方波驅(qū)動(dòng)單相導(dǎo)通三狀態(tài)運(yùn)行
電樞等效電阻：
電機(jī)反電勢常數(shù)：
式中Kw——繞組系數(shù)
Wφ-每相串聯(lián)匝數(shù)
Bδ——?dú)庀洞琶?/DIV>
D1——電樞直徑
Lef——電樞長度
4.2方波驅(qū)動(dòng)兩相導(dǎo)通六狀態(tài)運(yùn)行
5設(shè)計(jì)特點(diǎn)
大長細(xì)比大轉(zhuǎn)矩的特殊要求，不能象設(shè)計(jì)無刷直流力矩電動(dòng)機(jī)那樣，選取小的長細(xì)比。在外徑要求盡可能小的條件下，為了輸出足夠大的力矩，只有增加長度，由于長度增大到一定程度時(shí)會(huì)受到工藝條件和材料強(qiáng)度等的限制，因此只能在有限體積內(nèi)，提高電機(jī)的效率，以增大出力。為了滿足大長細(xì)比大力矩的要求，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)輕載時(shí)的高轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)：
a．選取較高的電磁負(fù)荷ABa。根據(jù)電機(jī)的主要尺寸關(guān)系式：
不難看出，由于定子（熱源）在外，散勢條件好，選取較高的電磁負(fù)荷ABa，在溫升不變的情況下，可減小電機(jī)體積。
b．采用高性能的稀土永磁材料，特別是釹鐵硼磁鋼，以增大氣隙磁密度Bδ，減小電機(jī)體積、重量和轉(zhuǎn)子慣量。
c．選取較大的極弧系數(shù)αp，并通過特殊設(shè)計(jì)使磁鋼定向方向沿轉(zhuǎn)子徑向分布，形成頂部其有足夠?qū)挾惹移教沟奶菪尾ù艌�，以增加出力，減小電流波動(dòng)及力矩波動(dòng)。
d．采用方波驅(qū)動(dòng)方式，可提高效率，增大出力。不難證明，在方波驅(qū)動(dòng)方式下有：
于是，理想空載電流為：
e．采用混合式工作方式。為獲得輕載時(shí)的高轉(zhuǎn)速，求得一個(gè)寬的速度范圍，采用單相導(dǎo)通三狀態(tài)運(yùn)行；為獲得低速時(shí)的大力矩，采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)運(yùn)行，以便得到高的機(jī)械特性阻尼系數(shù)Fo，從而求得更好的響應(yīng)特性和更高的效率。
f．在工藝和材料強(qiáng)度許可條件下，采用盡可能大的長細(xì)比A，一般可取A= 2～3。
g．采用鋼機(jī)殼，以提高鐵心的利用率，從而達(dá)到減小體積的目的。
h．在條件許可情況下，選用較高的端電壓。
6結(jié)語
根據(jù)上述分析，進(jìn)行了電機(jī)設(shè)計(jì)。電機(jī)尺寸φ55mmX133mm，磁鋼采用永磁材料，性能指Mn=0.5NmNc=3000r/min,nmax=6400r/min，實(shí)驗(yàn)證明：
a．采用混合式驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想，可以較好地實(shí)現(xiàn)低速時(shí)輸出大力矩，輕載時(shí)能高速運(yùn)轉(zhuǎn)這一特殊的指標(biāo)要求，大大拓寬了電機(jī)的速度范圍。
b．對(duì)于外徑要求小、力矩輸出要求大的無刷直流電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)中除了在工藝和材料強(qiáng)度等許可下選擇較大的長綱比外，還采用高性能的稀土永磁材料和高效率的驅(qū)動(dòng)方式，并對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以提高效率，增大出力，求得高的出力體積比。
大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種機(jī)電一體化的新型電機(jī)，以其高的出力體積比、寬的速度范圍等優(yōu)異性能，不僅可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)組合擰緊系統(tǒng)，而且還可應(yīng)用于要求電機(jī)外徑小、出力大、速度范圍寬、可靠性高等一些特殊場合。
(收稿日期：1994-08-14)
雙軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組件
美國精密工業(yè)公司將雙極驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電源組合在一起，研制出一種雙軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)新系列，具有良好的速度一力矩性能。
該P(yáng)42系列產(chǎn)品提供滿步或半步分辨靜態(tài)力矩范圍0. 2～1. 5Nm。所有輸入可入完全隔離，能使用115V或230V電源。
每個(gè)組件由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器、電源、集成化散熱片、安裝架、電纜和連接器組成一體，可應(yīng)用于X-Y自動(dòng)化裝置、醫(yī)療儀器、半導(dǎo)體加工設(shè)備、工廠自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人等。
(陳善海譯自《Electrical Engineer》No．1,1994)
|
