無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究
魏靜微1，張宏宇2
(1哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱150040；2黑龍江大學(xué)，哈爾濱150086)
摘要：在永磁無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，分析了無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工藝的特殊性；采用等效磁路法對(duì)250 W典型樣機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了樣機(jī)試制；通過對(duì)試制樣機(jī)的測(cè)試，得出該電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及特性曲線，經(jīng)過與理論設(shè)計(jì)值比較，驗(yàn)證理論分析的正確性。
關(guān)鍵詞：無槽；永磁電機(jī)；永磁無刷電動(dòng)機(jī)
中圖分類號(hào)：TM351；TM36 +1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848(2010)02-0009-03
0引言
無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)是近年來產(chǎn)生并得到發(fā)展的一種新型電機(jī)，把無槽結(jié)構(gòu)引入永磁無刷電動(dòng)機(jī)就是為了****程度的利用稀土永磁材料的高性能，從而得到高性能無刷永碰電動(dòng)機(jī)的特殊性能并配以優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使其成為理想的伺服執(zhí)行元件。特別適用于家用電器、辦公設(shè)備、醫(yī)療器械等要求低噪聲的場(chǎng)合，成為一代很有發(fā)展前景的無刷電動(dòng)機(jī)品種，引起相當(dāng)大的關(guān)注，國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)也有一些反映。
無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)是為軍事需要而誕生的，隨著電子技術(shù)和永磁材料的不斷發(fā)展，如今已在民用事業(yè)中嶄露頭角，從文獻(xiàn)[2]中可以看出，產(chǎn)品的功率范圍為5 W~22 kW，電流范圍l A120 A，電壓范圍12 V—480V，機(jī)座號(hào)范圍吊34~360，足以和傳統(tǒng)永磁無刷電動(dòng)機(jī)現(xiàn)有產(chǎn)品范圍相提并論，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)。
本文在分析無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、電磁設(shè)計(jì)及制造工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)設(shè)計(jì)與制造了樣機(jī)，通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)曲線繪制，進(jìn)一步證明了該種電機(jī)的優(yōu)異特性。
l結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)是永磁無刷電動(dòng)機(jī)改良發(fā)展而派生的一種新型特種電機(jī)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于電樞鐵心上設(shè)有齒和槽，用漆包線在鐵心表面編織成繞組，并用膠將它固化、粘牢，故稱“表面繞組”，因此，這種電機(jī)的氣隙比普通永磁無刷電動(dòng)機(jī)大得多。為了產(chǎn)生足夠的氣隙磁密，要求永磁體必須有大的剩磁、矯頑力和磁能積，近隼來迅速發(fā)展的釹鐵硼永磁材料完全能滿足這種要求。
無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)根據(jù)用途不同，電機(jī)可以做成徑向磁場(chǎng)，即圓柱式電機(jī)，也可以做成軸向磁場(chǎng)，即圓盤式電機(jī)。有電樞，永磁轉(zhuǎn)子，控制與驅(qū)動(dòng)電路等三部分：
1)電樞部分圓柱式電機(jī)的電樞鐵心為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，由硅鋼片沖制而成，圓環(huán)沖成后迭壓在一起焊成整體結(jié)構(gòu)。電樞繞組由自粘性電磁線或普通電磁線繞制而成，繞制后排列成型放在專用工具加熱自粘成型或浸膠壓制成型。為了使繞組壓制過程中不致破壓，常常在繞組內(nèi)外圓放一較薄絕緣套筒，并將它與電樞壓在一起。
圓盤式電機(jī)的電樞鐵心也為一圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，但硅鋼片不需沖制，只要把硅鋼片裁成條料卷成圓環(huán)即可，這種鐵心不但制造簡(jiǎn)單，而且也節(jié)約材料。電樞繞組則需繞成扇形，繞成后直接壓在電樞鐵心上，其工藝與圓柱式電機(jī)相同，如果電機(jī)功率不大時(shí)，電樞繞組也可采用印刷電路。
2)永磁轉(zhuǎn)子 由于該種電機(jī)電氣氣隙較大，因而磁鋼體積也較大，高速時(shí)離心力也較大，有時(shí)離心力可能超過粘膠的剝離強(qiáng)度。為了使轉(zhuǎn)子磁鋼在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不致甩出。常常要在轉(zhuǎn)子表面加不導(dǎo)磁的不銹鋼圈進(jìn)行加固，而且要有一定的預(yù)應(yīng)力。
3)控制與驅(qū)動(dòng)電路無槽永磁無利電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)電路可以采用與無刷直流電動(dòng)機(jī)相同的電路。根據(jù)供電電源及要求不同而采用不同的驅(qū)動(dòng)與控制形式。
2電磁設(shè)計(jì)
電磁設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問題是電磁負(fù)荷的選擇，對(duì)于不同的性能要求和使用場(chǎng)合，電磁負(fù)荷選擇不同。由于該電機(jī)電氣氣隙較大，我們可以選擇較大的電負(fù)荷91度這樣，電樞繞組的直流電阻就會(huì)較小，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電流環(huán)控制比較容易，且電機(jī)的溫升也比較容易控制。
磁負(fù)荷選擇考慮到該種電機(jī)氣隙大，永磁材料應(yīng)采用強(qiáng)磁材料，如NdFeB等材料，而氣隙長(zhǎng)度應(yīng)考慮在電樞繞組能合理布置前提下盡可能小。一般情況下，電氣氣隙在4 mm～8 mm。
當(dāng)磁性材料與磁路結(jié)構(gòu)初步確定后，可按下述步驟計(jì)算：
1)以方波驅(qū)動(dòng)為例，則氣隙磁通為：
2)如忽略定轉(zhuǎn)子軛磁位降勢(shì)，總磁位降為：
3)設(shè)為總磁通與總磁勢(shì)的標(biāo)么值，則總磁通標(biāo)么值可寫為：
式中，σ為為漏磁系數(shù)；φT為磁性材料****去磁磁感應(yīng)強(qiáng)度。
式中，F(xiàn)c為磁性材料****磁感矯頑力。
(4)對(duì)于NdFeB永磁材料，可以寫出
利用上述關(guān)系，用圖觶法即可求出Bδ，如所得Bδ值與初選值接近，則磁鋼設(shè)計(jì)合理，否則應(yīng)調(diào)整磁路尺寸再進(jìn)行迭代計(jì)算，直至合適為止。
當(dāng)電樞繞組接線方式和電子開關(guān)電路選定后，即可根據(jù)相應(yīng)公式確定每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)和總導(dǎo)體數(shù)，以及根據(jù)電流密度選取導(dǎo)線線規(guī)。
在繞組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)給定的額定轉(zhuǎn)速取空載轉(zhuǎn)速，因?yàn)榭蛰d轉(zhuǎn)速的確定與轉(zhuǎn)速變化斜率有關(guān)，即與繞組導(dǎo)線電阻有關(guān)，顯然繞組確定后需要重新核算空載轉(zhuǎn)速，直至合適為止。
當(dāng)繞組確定后應(yīng)核算槽滿率（虛擬槽滿率），如不合適則改變線規(guī)，甚至改變磁性材料尺寸。
3制造工藝特點(diǎn)
無槽無刷電機(jī)在制造工藝上有如下特點(diǎn)[2]：
1由于沒有了嵌放電樞線圈的槽形，所以必須將電樞繞組制作成整體式圓筒形結(jié)構(gòu)即筒形線圈，然后將其安放到光滑的電樞鐵心圓環(huán)面上；
2由于沒有承受電磁轉(zhuǎn)矩的槽形，因此要求筒形線圈的整體性好，強(qiáng)度高，與電樞鐵心的結(jié)合牢固，這必然要使用特殊技術(shù)手段才能實(shí)現(xiàn)；
3．位置檢測(cè)霍爾元件相對(duì)于繞組的邏輯位置必需用專門的儀器檢測(cè)確定；
4．就電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)而言，其復(fù)雜程度降低了，有利于專業(yè)化生產(chǎn)。
4樣機(jī)試制及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
應(yīng)用RMxprt軟件對(duì)功率為250 W無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)[6,7]，并與樣機(jī)在額定狀態(tài)下實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。表1為樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，表2為額定工況下電機(jī)設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值的比較。設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)所用硅鋼片為DW400-50，電樞繞組為QZNIB自粘性漆包線，永磁材料為NdFeB永磁材料，牌號(hào)為NTP-216H．其磁性能：剩磁磁感應(yīng)強(qiáng)度Bτ=1. 04 T，磁感矯頑力Hc=784 kA/m，****磁能積(BH)max= 207kj／m3。
樣機(jī)試制完成后，進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，利用Matlab繪制樣機(jī)的工作特性曲線。樣機(jī)實(shí)物圖如圖1所示，試驗(yàn)曲線如圖2所示。
通過樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試可以看出，樣機(jī)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，圓滿完成典型樣機(jī)的設(shè)計(jì)任務(wù)及試制工作。通過此次樣機(jī)試制，可以看到無槽無刷直流電動(dòng)機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)：
1．高效率250 W典型樣機(jī)****效率可達(dá)百分之80. 30，與相同規(guī)格的的普通無刷電機(jī)相比，效率約可提高5010。
2．輸出功率更大可以明顯看出，相比于同樣體積大小的普通無刷電機(jī)，無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)輸出功率更大，這也是我們開發(fā)研究電機(jī)無槽化的另一重要原因。
3．定位干擾力矩小通過對(duì)樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，干擾力矩小。
4．噪聲明顯減小 由于無槽永磁無刷電機(jī)無齒槽，不會(huì)引起齒槽轉(zhuǎn)短脈動(dòng)，及齒槽引起的損耗，這些都是減小噪音的有利因素。
5．沒有齒槽轉(zhuǎn)矩樣機(jī)實(shí)際測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了無槽電機(jī)沒有齒槽轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而帶來了該種電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)。
5結(jié)論
本文根據(jù)無槽永磁無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用永磁電機(jī)的基本理論，結(jié)合無槽電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)將點(diǎn)，在無刷電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)程序基礎(chǔ)上對(duì)無槽永磁無刷電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)的探討并編制了電磁計(jì)算程序，應(yīng)用本程序進(jìn)行典型樣機(jī)的電磁計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出樣機(jī)的工作特性曲線，從而對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析；此外，進(jìn)行了額定狀態(tài)下與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過比較可以看出，計(jì)算程序的計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際值，說明本程序的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)手段可以應(yīng)用于該種電機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。
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