高速無刷直流電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高速電動(dòng)機(jī)的需要日益劇增，如生物工程用的高速離心分離機(jī)，醫(yī)療器械用的高速電動(dòng)牙鉆，機(jī)床工業(yè)用的主軸電機(jī)、高速鉆床，航空、航天用的高速離心泵、高速攝像槍、高速紅外掃描儀，“飛輪電池”及激光技術(shù)用的高速電動(dòng)機(jī)等。高速電動(dòng)機(jī)主要有：串激電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、交流同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)以其無機(jī)械換向、無火花干擾、效率高、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性好、可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)而特別適合于高速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用，加上驅(qū)動(dòng)技術(shù)的日益完善和無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步創(chuàng)新，它在高速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用前途廣闊。
1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)
對(duì)高速無刷直流電動(dòng)機(jī)而言，由于其轉(zhuǎn)速高，單位體積的損耗也大得多。因此必須在電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡可能減小每部分的損耗。無刷電機(jī)的損耗主要有3部分：銅耗Pcu ,鐵耗Pfe、機(jī)械耗P（軸承摩擦耗Pb和轉(zhuǎn)子風(fēng)摩擦耗Pr）。電機(jī)以n轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)的交變頻率f將進(jìn)入中頻范圍。眾所周知：Pfe∝fl.3，Pb∝n1.3，Pr∝n3，顯然，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電機(jī)的鐵耗和軸承損耗等機(jī)械耗將顯著增加，因此高速無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)在于如何降低電機(jī)的鐵耗和機(jī)械損耗。
1.1傳統(tǒng)齒槽結(jié)構(gòu)的高速無刷直流電動(dòng)機(jī)
1）選取較少的極對(duì)數(shù)，以降低磁場(chǎng)交變頻率；
2）選取較小的磁負(fù)荷，以降低鐵心中的磁密；
3）采用中頻低損耗沖片材料，并注意加工工藝，如沖制后退火處理，保證片間絕緣等，以減小鐵心中的渦流損耗；
4）選取較大的氣隙，控制開槽形式及數(shù)量，以降低氣隙磁導(dǎo)齒諧波磁場(chǎng)在磁極表面的渦流損耗。
1.2無槽結(jié)構(gòu)的高速無刷直流電動(dòng)機(jī)
無槽結(jié)構(gòu)的高速無刷直流電動(dòng)機(jī)取消了傳統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)定子鐵心的齒槽部分，因此其鐵耗中只有軛部損耗。因氣隙較大，可選用稀土永磁材料作磁極。此結(jié)構(gòu)雖然使電機(jī)鐵耗得到了較大降低，但其加工工藝較為復(fù)雜。首先要用專用工裝進(jìn)行嵌線操作，待電樞繞組成型后組裝成定子組件，再進(jìn)行環(huán)氧灌封。對(duì)此結(jié)構(gòu)來說，無槽定子繞組的嵌線、成型等加工工藝方法是技術(shù)的關(guān)鍵。
1.3無鐵心結(jié)構(gòu)的高速無刷直流電動(dòng)機(jī)
無鐵心結(jié)構(gòu)的高速無刷直流電動(dòng)機(jī)****消除了鐵耗，因此具有更加優(yōu)異的性能，可以應(yīng)用于超高速場(chǎng)合。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)仍然是無鐵心電樞定子的設(shè)計(jì)、加工成型、灌封及固定。其電樞繞組的嵌線、成型與無槽結(jié)構(gòu)的加工方法基本一樣。
1.4軸承問題
高速無刷直流電動(dòng)機(jī)的軸承，在設(shè)計(jì)中要充分考慮以下幾點(diǎn)。
1）軸承的選用。由于高速無刷直流電動(dòng)機(jī)軸承的損耗較大，其發(fā)熱會(huì)直接影響軸承壽命。在軸承負(fù)載要求許可條件下采用尺寸小的軸承，并盡可能選用高速專用滾珠軸承，必要時(shí)可采用陶瓷軸承、空氣軸承和磁懸浮承。
2）一般情況可用軸承自帶油脂潤(rùn)滑，必要時(shí)可進(jìn)行油霧潤(rùn)滑及冷卻。
3）軸承的裝配及使用也很講究。軸承檔與軸承室配合要合適，太緊損耗會(huì)增加，太松軸承套會(huì)發(fā)生打滑而產(chǎn)生高熱，從而導(dǎo)致軸承的損壞。使用中還應(yīng)對(duì)軸承施加一定預(yù)緊力。
1.5轉(zhuǎn)子問題
高速無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，在設(shè)計(jì)中要充分考慮以下幾點(diǎn)。
1）轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度。由于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子要承受較大的離心力，轉(zhuǎn)子上一般粘有永磁體，因而應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固處理，可增加非導(dǎo)磁護(hù)套或者用無緯玻璃絲帶纏繞后再加熱固化。
2）轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。由于轉(zhuǎn)速高，因此應(yīng)做精度較高的動(dòng)平衡。設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能使轉(zhuǎn)子質(zhì)量相對(duì)中心軸線均勻分布。
3）轉(zhuǎn)子表面狀態(tài)。高速電機(jī)轉(zhuǎn)子表面應(yīng)盡可能光滑、均勻，以減小風(fēng)摩耗。
2 幾種典型高速無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用
筆者針對(duì)生物工程中高速離心分離機(jī)開發(fā)了90ZWSG01高速無刷直流電動(dòng)機(jī)。其指標(biāo)為：電源電壓220V，50Hz，****工作轉(zhuǎn)速為20000r/min（可閉環(huán)下調(diào)），功率300W,噪聲不大于60dB，表面溫升不大于25℃，電機(jī)本體體積為Φ90mm ×130mm。此產(chǎn)品設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)的有槽結(jié)構(gòu)，在機(jī)殼外圓增加了環(huán)形散熱片。其電磁設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)貫徹了前述的設(shè)計(jì)思路，因此在高轉(zhuǎn)速時(shí)仍能保持較低的溫升和較小的噪聲。其驅(qū)動(dòng)器直接采用220V,50Hz供電方式，為用戶提供了 |
