超低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錢榮超，孫兆瓊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

普通無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一般采用單定子結(jié)構(gòu)，單定子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工安裝，但是整個(gè)轉(zhuǎn)子的直徑大、質(zhì)量重，即便做成空心軸結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很大，嚴(yán)重影響無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)整體響應(yīng)速度和控制精度。本文研究的超低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)采用雙定子結(jié)構(gòu)，即將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軛部脫離出來(lái)，成為內(nèi)定子，旋轉(zhuǎn)部分只有永磁體及其支架，可以大幅度地減小轉(zhuǎn)子的體積及質(zhì)量，由此降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高響應(yīng)速度。對(duì)于雙定子結(jié)構(gòu)力矩電動(dòng)機(jī)，國(guó)外有一些品牌已經(jīng)形成了市場(chǎng)產(chǎn)品，但受到特殊結(jié)構(gòu)工藝的限制，機(jī)座號(hào)最大達(dá)到170 mm左右，這也影響了該種結(jié)構(gòu)電機(jī)的系列化發(fā)展。

本文從電磁、結(jié)構(gòu)、工藝三個(gè)方面來(lái)闡述一種更大直徑的超低慣量雙定子無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)，該結(jié)構(gòu)可以使無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)更緊湊、更快速，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)座號(hào)50～500 mm的拓展。

1 原理分析

無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)執(zhí)行元件，可不經(jīng)齒輪減速而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在位置系統(tǒng)中，它可工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；在速度系統(tǒng)中，它可工作在低速狀態(tài)，輸出大轉(zhuǎn)矩。無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一只繞組串聯(lián)的多對(duì)極的永磁式電動(dòng)機(jī)，由于其性能和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，力矩電動(dòng)機(jī)常做成具有較大內(nèi)孔的薄環(huán)形結(jié)構(gòu)。本文以機(jī)座號(hào)230 mm電機(jī)為例，重點(diǎn)分析雙定子結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

1.1 電機(jī)運(yùn)行原理

通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制器，將直流電壓加到線圈上，導(dǎo)體中就有直流電流通過(guò)。按電磁定律，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受到電磁力，作用在線圈上的電磁力矩：

TXA=bilD(1)

式中：b為載流導(dǎo)體位置的磁密；i為導(dǎo)體中電流；l為載流導(dǎo)體長(zhǎng)度；D為電樞直徑。導(dǎo)體中的電流隨驅(qū)動(dòng)控制器按照一定規(guī)律控制繞組中電流通斷，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向一直保持不變，電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)[1]。

1.2 電樞繞組連接方式和電子換相

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組與一般交流電動(dòng)機(jī)的定子繞組相類似，分星形連接繞組和封閉式連接繞組兩類。電子換相電路一般有橋式和非橋式兩類，不同連接方式的電樞繞組與不同電子換相電路的組合是多種多樣的[2]，本文采用方波驅(qū)動(dòng)的三相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的電樞繞組連接和電子換相方式，位置傳感器采用霍爾傳感器，其速度伺服系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 方波驅(qū)動(dòng)的速度伺服系統(tǒng)典型原理框圖[3]

1.3 磁路運(yùn)行方式

普通無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)磁路為單定子結(jié)構(gòu)，本文研究的為雙定子結(jié)構(gòu)，兩者磁路的運(yùn)行方式基本相同,如圖2所示；不同的是雙定子結(jié)構(gòu)存在內(nèi)外兩個(gè)氣隙，且由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，雙氣隙結(jié)構(gòu)電機(jī)總的能量轉(zhuǎn)換普遍大于同尺寸的單氣隙結(jié)構(gòu)電機(jī)。

(a) 單氣隙結(jié)構(gòu)

(b) 雙氣隙結(jié)構(gòu)

1.4 雙定子電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

單、雙定子電機(jī)主要是由氣隙的不同而存在差異，理論上雙定子電機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)如下：

① 單定子電機(jī)只有一個(gè)運(yùn)行氣隙，雙定子電機(jī)有兩個(gè)運(yùn)行氣隙，分別分布在轉(zhuǎn)子的內(nèi)外兩側(cè)；

② 單定子電機(jī)的總氣隙尺寸小，雙定子電機(jī)的總氣隙尺寸大；

③ 單定子電機(jī)輸出力矩略大，雙定子電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更??；

④ 雙定子電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以做到很小(為單定子結(jié)構(gòu)的50%以下)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小，可以有效提高電機(jī)的控制精度、控制速度等指標(biāo)，在無(wú)刷控制和伺服控制系統(tǒng)中，都有優(yōu)越的表現(xiàn)，這是單定子結(jié)構(gòu)力矩電機(jī)無(wú)法達(dá)到的；

⑤ 雙定子電機(jī)的加工工藝難度較大，對(duì)零件加工、零部件裝配都有較高的精度要求。

2 單、雙定子電機(jī)有限元模型仿真分析

在尺寸相同、激勵(lì)相同的情況下，建立單定子無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)和雙定子無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)模型，對(duì)比兩電機(jī)各項(xiàng)性能。為了更好地區(qū)別兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，電機(jī)的主要尺寸選取一致：電機(jī)機(jī)殼外徑230 mm，電機(jī)電樞外徑220 mm，電樞內(nèi)徑160 mm，電機(jī)有效長(zhǎng)度90 mm，單邊氣隙總長(zhǎng)度1 mm。

2.1 單、雙定子無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)有限元分析

建立單、雙定子無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)Ansoft二維模型，計(jì)算電機(jī)的輸出力矩，分別如圖3、圖4所示，單、雙定子無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為0.036 kg·m2和0.017 kg·m2。

圖3 單定子結(jié)構(gòu)

圖4 雙定子結(jié)構(gòu)

2.2 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能對(duì)比分析

通過(guò)轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(響應(yīng)速度)、輸出性能(轉(zhuǎn)矩脈動(dòng))、加工工藝三方面，對(duì)單定子、雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)性能進(jìn)行分析。

2.2.1 轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(響應(yīng)速度)

兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)選取相同的電樞直徑和長(zhǎng)度，二者的轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如表1所示。

由于雙定子結(jié)構(gòu)的磁鋼為內(nèi)嵌式，可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子做得更薄，在質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上都具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。由表1可見(jiàn)，雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為普通單定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的一半；相同負(fù)載時(shí)，雙定子電機(jī)的角加速度為單定子結(jié)構(gòu)的2倍，應(yīng)用于伺服電機(jī)中，可以大幅度提高響應(yīng)速度。

表1 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較

2.2.2 電機(jī)性能

相同尺寸的單、雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的輸出性能基本相同，但是由于雙定子結(jié)構(gòu)存在內(nèi)、外兩個(gè)氣隙，使其輸出力矩略小一些，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有所減小，如圖3、圖4所示。單定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的平均輸出力矩為53.5 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為2.8%，雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的平均輸出力矩為52.3 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為2.47%?？梢?jiàn)，雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)在于，犧牲2%的電機(jī)輸出力矩，從而得到了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低12%、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低47.2%的控制性能，這是十分有利的。

2.2.3 加工工藝

同體積的雙定子電機(jī)，是在普通力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子中將轉(zhuǎn)子軛和轉(zhuǎn)軸脫離出來(lái)，從而減小轉(zhuǎn)子部分的體積及質(zhì)量，其實(shí)物圖如圖5所示。但是，轉(zhuǎn)子上的永磁體體積是一定的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須保證永磁體支架的強(qiáng)度，永磁體與轉(zhuǎn)子的牢固性，轉(zhuǎn)子整體精度等，以上是實(shí)現(xiàn)雙定子電機(jī)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

圖5 雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子及電機(jī)實(shí)物圖

轉(zhuǎn)子中最為重要的零件是轉(zhuǎn)子支架，轉(zhuǎn)子支架最好選用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、不易形變、不導(dǎo)磁(或?qū)Т判院懿?的材料，一般考慮硬鋁或者鈦合金。在圖5的薄形轉(zhuǎn)子支架內(nèi)部，開(kāi)若干凹槽來(lái)安裝永磁體，凹槽的形狀與尺寸將直接影響整個(gè)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度、形變程度等重要機(jī)械因素。

選定轉(zhuǎn)子支架材料后，其工藝流程、加工手段、時(shí)效處理等步驟亦很關(guān)鍵：

(a) 工藝流程：需要經(jīng)過(guò)先車、再銑、后車的流程，在永磁體安裝后，還需要整體切削加工；

(b) 加工手段：重點(diǎn)提高加工精度，特別是在有強(qiáng)磁物質(zhì)時(shí)的精密加工；

(c) 時(shí)效處理：薄形結(jié)構(gòu)的變形問(wèn)題不可避免，時(shí)效處理是釋放材料內(nèi)部應(yīng)力的最佳方法，多道時(shí)效處理可有效提高轉(zhuǎn)子支架的尺寸精度，有利于后續(xù)安裝。

3 雙定子電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度仿真

雙定子電機(jī)在機(jī)械強(qiáng)度方面主要有兩個(gè)薄弱位置，分別是機(jī)殼(內(nèi)外定子連接位置)與轉(zhuǎn)子。由于雙定子電機(jī)是懸臂梁結(jié)構(gòu)，機(jī)殼起到了內(nèi)外定子鏈接的作用，當(dāng)電機(jī)如圖6放置時(shí)，由于重力作用，機(jī)殼的后端面容易產(chǎn)生形變；轉(zhuǎn)子支架為薄壁杯型結(jié)構(gòu)、嵌入的表貼式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最薄弱的位置只有0.2 mm左右，在電機(jī)承載轉(zhuǎn)矩時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)子受到了很大的電磁力，從而容易變形，下面分別對(duì)機(jī)殼和轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行ANSYS Workbench有限元仿真。

圖6是雙定子電機(jī)機(jī)殼(材料為硬鋁合金)機(jī)械強(qiáng)度仿真圖。在電機(jī)倒置時(shí)，內(nèi)外定子連接處是機(jī)殼機(jī)械強(qiáng)度最為薄弱的位置，材料最大承受的拉伸應(yīng)力為0.63 MPa，形變量很小，可以忽略不計(jì)，該設(shè)計(jì)可以滿足電機(jī)要求。

(a) 機(jī)殼最大受力時(shí)

(b) 機(jī)殼最大受力時(shí)

圖7是雙定子電機(jī)轉(zhuǎn)子杯(材料為鈦合金)機(jī)械強(qiáng)度仿真圖。電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子杯內(nèi)部最大剪切應(yīng)力為1.027 MPa，轉(zhuǎn)子周向形變量約為1.3×10-5mm，對(duì)于直徑230 mm的電機(jī)，該形變量很小，不會(huì)影響電機(jī)的材料性能和輸出性能。綜上，雙定子電機(jī)的機(jī)殼、轉(zhuǎn)子杯的機(jī)械強(qiáng)度可以滿足電機(jī)正常工作要求。

(a) 轉(zhuǎn)子杯運(yùn)行時(shí)

(b) 轉(zhuǎn)子杯運(yùn)行時(shí)

4 結(jié) 語(yǔ)

雙定子無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于，該電機(jī)在保持優(yōu)越輸出性能的同時(shí)，大幅度降低了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)于控制電機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小不僅可以提高控制精度，更可以大幅度提高控制速度，這在很多高端設(shè)備中是十分重要的。由于該結(jié)構(gòu)受到材料、工藝的限制，目前只能應(yīng)用于中小型電機(jī)。機(jī)基座號(hào)大于200 mm以上的電機(jī)，需要特種加工工藝及手段。本文的樣機(jī)結(jié)構(gòu)最大可以拓展到機(jī)座號(hào)500 mm的電機(jī)產(chǎn)品，在高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)床等場(chǎng)合都有著廣泛應(yīng)用。