無槽無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)

關(guān)麗雅，李耀國，宋 桀，梁 赫

(1.北京青云航空儀表有限公司，北京 101300；2.空軍裝備部駐北京地區(qū)第五軍事代表室，北京 101300)

無槽無刷直流電機(jī)(以下簡稱無槽電機(jī))與傳統(tǒng)齒槽電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理相同，但定子鐵芯和線圈結(jié)構(gòu)不同。無槽電機(jī)定子鐵芯無齒槽，定子三相線圈用漆包線制作成杯形結(jié)構(gòu)，粘貼于定子鐵心表面，屬于自支撐的線圈結(jié)構(gòu)，稱“無槽線圈”。無槽電機(jī)這種結(jié)構(gòu)降低了定子鐵芯中的鐵耗，提高了電機(jī)的效率。而且無槽電機(jī)的輸出特性為線性，使其控制簡單，可實(shí)現(xiàn)高精度控制。同時(shí)無槽電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形設(shè)計(jì)為準(zhǔn)正弦波，它與方波型直流電機(jī)相比，具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而且因鐵芯無齒槽，消除了齒槽效應(yīng)，使控制更為平穩(wěn)。無槽電機(jī)還具有電氣時(shí)間常數(shù)小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，具有齒槽電機(jī)無可比擬的優(yōu)越特性，備受市場(chǎng)關(guān)注，在軍事、航空航天、醫(yī)療器械、機(jī)器人技術(shù)、半導(dǎo)體設(shè)備及汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

國外無槽電機(jī)研制歷史較長、技術(shù)先進(jìn)，產(chǎn)品市場(chǎng)占有率較高[1-3]。我國由于起步較晚，無槽電機(jī)研發(fā)制造技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。目前國產(chǎn)無槽電機(jī)大多為幾瓦到幾十瓦的小功率無槽電機(jī)，而且技術(shù)水平較低、效率低、成本高、性能差。因此，在一些高精尖機(jī)電系統(tǒng)中，一直依賴于進(jìn)口國外無槽電機(jī)。

針對(duì)上述情況,北京青云航空儀表有限公司開展專項(xiàng)攻關(guān)，該項(xiàng)目研制的無槽電機(jī)輸出功率超100 W，功率密度大，國內(nèi)尚無研制成功的報(bào)道。目前研制工作已經(jīng)取得了一定成果，完成了樣機(jī)的制作與性能測(cè)試。結(jié)果表明，電機(jī)性能優(yōu)越，在同等測(cè)試條件下，功率密度和效率遠(yuǎn)高于其他國產(chǎn)同規(guī)格電機(jī)，同時(shí)也高于國外同規(guī)格無槽電機(jī)。

該項(xiàng)目無槽電機(jī)的研制成功為國產(chǎn)無槽電機(jī)的研制提供了參考和依據(jù)，并且對(duì)提高國內(nèi)機(jī)電產(chǎn)品的技術(shù)競(jìng)爭力具有積極意義，同時(shí)相關(guān)研究工作填補(bǔ)了大功率國產(chǎn)無槽電機(jī)的空白，具有重大意義。

1 無槽電機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

無槽電機(jī)包括電機(jī)本體、編碼器和減速器。無槽電機(jī)多為高速電機(jī)，實(shí)際應(yīng)用中需要配以合適的減速器，使電機(jī)的輸出特性滿足系統(tǒng)需要，配套的減速器為兩級(jí)精密行星齒輪減速器；編碼器為磁阻式編碼器。無槽電機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

無槽電機(jī)本體由定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，定子組件由殼體、定子鐵芯和無槽線圈組成，轉(zhuǎn)子組件由轉(zhuǎn)子軸、永磁磁鋼和軸承組成。

1.2 技術(shù)要求

額定電壓為28 V，工作溫度范圍為-55～70 ℃，電機(jī)磁極對(duì)數(shù)為1對(duì)極；減速器輸出軸輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)的要求。

1.3 主要參數(shù)的確定

電機(jī)的主要尺寸、電機(jī)功率與電磁負(fù)荷及轉(zhuǎn)速等參數(shù)之間滿足如下關(guān)系[4]：

(1)

(2)

式中，W1是每相串聯(lián)匝數(shù)；I1是每相電流，單位為A；a1是定子每相并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。

1.4 材料的確定

1.4.1 轉(zhuǎn)子磁極材料的確定

轉(zhuǎn)子永磁磁極材料常用的有釤鈷和釹鐵硼。釹鐵硼材料存在易被粉化和腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，一般需要在其表面上噴涂環(huán)氧樹脂材料來隔離外界空氣，也可作電泳或電鍍處理，應(yīng)用于苛刻環(huán)境時(shí)，常作表面鍍鎳處理[5-8]。但目前釹鐵硼鍍層存在可靠性差、壽命短等問題，大多應(yīng)用在民用領(lǐng)域，應(yīng)用于航空產(chǎn)品中可靠性無法保證。軍工產(chǎn)品上大多選用釤鈷合金材料，該材料環(huán)境適應(yīng)性與耐蝕性較好，不需要表面處理可應(yīng)用于鹽霧環(huán)境，能夠滿足航空產(chǎn)品的高可靠性要求。因此，該項(xiàng)目電機(jī)選用釤鈷合金作為永磁磁極材料。磁極的安裝常用表貼式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)制造和裝配工藝簡單[9-10]。但表貼工藝的磁極牢固性差，存在脫落風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)在磁極外加保護(hù)套，本文采用該結(jié)構(gòu)。

1.4.2 定子鐵芯材料的確定

定子鐵芯作為導(dǎo)磁體，材料選用軟磁材料。軟磁材料的種類很多，可分為金屬、鐵氧體、非晶態(tài)和超微晶軟磁材料四大類。其中硅鋼片綜合性能較好，且硅鋼片價(jià)格較低。因此，定子鐵芯材料選用硅鋼。

2 無槽電機(jī)磁路仿真

2.1 建立幾何模型

根據(jù)式1和式2的計(jì)算結(jié)果建立仿真模型(見圖2)。

2.2 材料定義及網(wǎng)格劃分

按設(shè)計(jì)方案定義材料，定子鐵芯選取硅鋼，線圈材料選取銅金屬，轉(zhuǎn)子磁鋼選取釤鈷合金，轉(zhuǎn)子軸選取10鋼。材料定義完成后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的原則：氣隙和齒部較密，定子軛部和轉(zhuǎn)子部分較疏。劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。本文采用最大劃分單元長度為1 mm。

2.3 設(shè)定求解選項(xiàng)及運(yùn)動(dòng)面域

二維瞬態(tài)分析時(shí)應(yīng)設(shè)定運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)，在模型窗口選中運(yùn)動(dòng)面域，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)類型、數(shù)據(jù)信息及機(jī)械信息等參數(shù)的設(shè)置，運(yùn)動(dòng)面域是模型中包含轉(zhuǎn)子的面。求解設(shè)置為終止時(shí)間為0.1 s，求解步長為0.000 2 s，場(chǎng)信息保存時(shí)間為0.1 s。設(shè)置完成后進(jìn)行自檢，自檢后進(jìn)行求解和后處理。

3 無槽電機(jī)仿真結(jié)果及分析

3.1 磁場(chǎng)分析

定子端添加激勵(lì)源為三相對(duì)稱電壓，額定電壓為28 V，利用瞬態(tài)求解器模擬電機(jī)不同時(shí)刻的磁場(chǎng)變化，得到電機(jī)的磁場(chǎng)瞬態(tài)分布情況，圖4所示為電機(jī)某一時(shí)刻的磁力線分布圖。圖4中顯示的是磁力線及等A線的A值大小，其單位是Wb/m，中部顯示的是磁力線在電機(jī)模型中的分布，紅色磁力線為正向極值，藍(lán)色磁力線為負(fù)向極值。可以看出電機(jī)磁力線分布均勻，說明磁路設(shè)計(jì)合理。圖5所示為無槽電機(jī)的磁密云圖，圖5中左上角顯示的是磁密值大小，其中單位是T，可以看出，定子鐵芯磁密最大，接近1.19 T，未飽和，磁路設(shè)計(jì)合理。

3.2 工作特性

應(yīng)用計(jì)算結(jié)果對(duì)無槽電機(jī)進(jìn)行仿真，再不斷調(diào)整電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。仿真完成后，可以在有限元軟件中查看設(shè)計(jì)結(jié)果，得到電機(jī)的工作特性，該無槽電機(jī)額定工作點(diǎn)效率為90%，額定電流為1.29 A，滿足要求。

4 樣機(jī)實(shí)物性能測(cè)試

按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方案制作出物理樣機(jī)(見圖6)。對(duì)樣機(jī)施加28 V直流電壓，由控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，用測(cè)功機(jī)為電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行性能測(cè)試。

測(cè)試時(shí)用專用工裝將電機(jī)本體裝夾在測(cè)功機(jī)上，減速器輸出軸與測(cè)功機(jī)加載臺(tái)輸出軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，對(duì)電機(jī)施加額定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果。研制的無槽電機(jī)與不同生產(chǎn)廠家同規(guī)格電機(jī)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 電機(jī)性能測(cè)試結(jié)果

可以看出，項(xiàng)目研制的無槽電機(jī)效率略高于國外同規(guī)格電機(jī)，功率密度與其相同；與其他兩款國產(chǎn)電機(jī)相比，效率和功率密度有著明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)針對(duì)高端機(jī)電產(chǎn)品對(duì)無槽電機(jī)的需求，開展了無槽電機(jī)的研制工作，制作了樣機(jī)，并進(jìn)行了性能測(cè)試。結(jié)果表明，無槽電機(jī)滿足技術(shù)要求，并且達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

2)電機(jī)的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較小，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性及有限元仿真方法的可靠性。

3)通過與不同廠家電機(jī)性能對(duì)比，表明該電機(jī)性能優(yōu)異；功率密度和效率不但遠(yuǎn)高于國產(chǎn)同類電機(jī)，而且效率高于國外同規(guī)格電機(jī)。

4)無槽電機(jī)的研制成功填補(bǔ)了國產(chǎn)大功率無槽電機(jī)的空白，為國產(chǎn)無槽電機(jī)的研制提供了參考和依據(jù)。