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王民生（西安微電機研究所）
【摘 要】針對標準組合擰緊系統(tǒng)對驅(qū)動電動機的要求，提出了大長細比高性能稀土無刷直流電動機的基本原理和結(jié)構(gòu)，特別是混合式驅(qū)動的設計思想，并對其特性和設計特點進行了分析，給出了一些計算公式。
【敘 詞】 無刷直流電機稀土永磁材料／大長細比／混合式驅(qū)動原理設計 1引言
隨著稀土永磁材料和電子技術的發(fā)展，作為機電一體化的無刷直流電動機正在逐步取代傳統(tǒng)的有刷直流電動機。無刷直流電動機除了保留有刷直流電動機的良好機械特性外．還具有眾多的優(yōu)點，用電子換向代替機械換向，從而可靠性高，便于高速運行，無電火花及電磁干擾，很少需要維護，特別適用于高真空、高氣壓、大振動、有害介質(zhì)、易燃、易爆等為一般有刷直流電動機難于適應的惡劣環(huán)境。采用“里翻外”設計，電樞為定子（熱源），同殼為一體，散熱條件好；轉(zhuǎn)子慣量小，響應快。近年來在汽車工業(yè)、航空工業(yè)等領域，一種全新的標準組合擰緊系統(tǒng)正在越來越多地被使用，作為該系統(tǒng)的電動執(zhí)行機構(gòu)，所用的無刷直流電動機，特別是大長細比的高性能稀土無刷直流電動機正在迅速增長，但目前國內(nèi)所采用的基本上都是進口電機。本文根據(jù)標準組舍擰緊系統(tǒng)對電機及驅(qū)動器的要求，對適合該系統(tǒng)使用的大長細比高性能稀土無刷直流電動機進行分析。
2系統(tǒng)要求
標準組合擰緊系統(tǒng)多用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)等生產(chǎn)線，要求其驅(qū)動電機具有高的可靠性，且維修簡單方便。在該系統(tǒng)中，通常一臺電動機驅(qū)動一個板手頭，一個板手頭擰緊一個螺釘，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、無刷直流電動機等聯(lián)接而成的細長直桿式結(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機不僅要具有大長細比的細長結(jié)構(gòu)，而且應能輸出大的力矩。由于高性能稀土永磁材料的應用和電子技術的發(fā)展，使得無刷直流電動機體積小、出力大，從而能更好地滿足大長細比大力矩的設計要求，這是其它類型的電機較難辦到的。為了提高系統(tǒng)的工作效率，要求螺釘在擰緊之前的擰進過程中能夠快速擰進，另外該系統(tǒng)在控制方法上有扭矩控制、轉(zhuǎn)角控制和屈服點控制。除第一種控制方法外，其余兩種控制方法還需要電機傳感器不僅能提拱電機換向信號，而且還能夠提供一定精度的位置反饋信號。根據(jù)標準組合擰緊系統(tǒng)要求，設計的大長細比高性能稀土無刷直流電動機應有以下特點：
a．可靠性高、壽命長、維修簡單方便。
b．呈大長細比的細長結(jié)構(gòu)，體積小、效率高。
c．低速時能輸出大力矩，過載能力強。
d．輕載時能高速運轉(zhuǎn)，速度范圍寬。
e．轉(zhuǎn)子慣量小，響應快。
f．能提供一定精度的轉(zhuǎn)角位置信號。
3基本原理和結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的無刷直流電動機結(jié)構(gòu)形式較多，在本方案中，由于系統(tǒng)的特殊要求，使得設計時不能直接借用傳統(tǒng)的設計方法，而采用了一種新方案——混合式驅(qū)動方案，如圖2所示，定子為三相Y連接，中線引出。運行狀態(tài)分為兩段，如圖3所示，輕載高速區(qū)(I區(qū))為單相導通三狀態(tài)運行，驅(qū)動器內(nèi)功率晶體管導通角為120度，導通順序為a0、b0、c0；低速大力矩區(qū)（Ⅱ、Ⅲ區(qū)）為兩相導通六狀態(tài)運行，功率晶體管導通角仍為120度。本方案在電機體積小的條件下，既滿足了低速時的大力矩要求，同時又滿足了輕載時的高轉(zhuǎn)速要求，發(fā)揮了機電一體化的優(yōu)勢，體現(xiàn)了高效率、高出力體積比、寬速度范圍等特點。
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，電機都可長期運行，但在Ⅲ區(qū)，只能短時運行。
無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有各種各樣的形式，從大長細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，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)動單相導通三狀態(tài)運行
電樞等效電阻：
電機反電勢常數(shù)：
式中Kw——繞組系數(shù)
Wφ-每相串聯(lián)匝數(shù)
Bδ——氣隙磁密
D1——電樞直徑
Lef——電樞長度
4.2方波驅(qū)動兩相導通六狀態(tài)運行
5設計特點
大長細比大轉(zhuǎn)矩的特殊要求，不能象設計無刷直流力矩電動機那樣，選取小的長細比。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會受到工藝條件和材料強度等的限制，因此只能在有限體積內(nèi)，提高電機的效率，以增大出力。為了滿足大長細比大力矩的要求，同時又能實現(xiàn)輕載時的高轉(zhuǎn)速，在設計上具有以下特點：
a．選取較高的電磁負荷ABa。根據(jù)電機的主要尺寸關系式：
不難看出，由于定子（熱源）在外，散勢條件好，選取較高的電磁負荷ABa，在溫升不變的情況下，可減小電機體積。
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，并通過特殊設計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，減小電流波動及力矩波動。
d．采用方波驅(qū)動方式，可提高效率，增大出力。不難證明，在方波驅(qū)動方式下有：
于是，理想空載電流為：
e．采用混合式工作方式。為獲得輕載時的高轉(zhuǎn)速，求得一個寬的速度范圍，采用單相導通三狀態(tài)運行；為獲得低速時的大力矩，采用兩相導通六狀態(tài)運行，以便得到高的機械特性阻尼系數(shù)Fo，從而求得更好的響應特性和更高的效率。
f．在工藝和材料強度許可條件下，采用盡可能大的長細比A，一般可取A= 2～3。
g．采用鋼機殼，以提高鐵心的利用率，從而達到減小體積的目的。
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，進行了電機設計。電機尺寸φ55mmX133mm，磁鋼采用永磁材料，性能指Mn=0.5NmNc=3000r/min,nmax=6400r/min，實驗證明：
a．采用混合式驅(qū)動的設計思想，可以較好地實現(xiàn)低速時輸出大力矩，輕載時能高速運轉(zhuǎn)這一特殊的指標要求，大大拓寬了電機的速度范圍。
b．對于外徑要求小、力矩輸出要求大的無刷直流電動機，設計中除了在工藝和材料強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)動方式，并對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行特殊設計，以提高效率，增大出力，求得高的出力體積比。
大長細比高性能稀土無刷直流電動機作為一種機電一體化的新型電機，以其高的出力體積比、寬的速度范圍等優(yōu)異性能，不僅可應用于標準組合擰緊系統(tǒng)，而且還可應用于要求電機外徑小、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)
雙軸步進電動機組件
美國精密工業(yè)公司將雙極驅(qū)動技術和電源組合在一起，研制出一種雙軸步進電動機新系列，具有良好的速度一力矩性能。
該P42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。
每個組件由兩臺電動機、兩個驅(qū)動器、電源、集成化散熱片、安裝架、電纜和連接器組成一體，可應用于X-Y自動化裝置、醫(yī)療儀器、半導體加工設備、工廠自動化設備和機器人等。
(陳善海譯自《Electrical Engineer》No．1,1994)
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