大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)
王民生（西安微電機(jī)研究所710077）
【摘 要】針對標(biāo)準(zhǔn)組合擰緊系統(tǒng)對驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的要求，提出了大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)，特別是混合式驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想，并對其特性和設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，給出了一些計(jì)算公式。
【敘 詞】無刷直流電動(dòng)機(jī)稀土永磁材料／大長細(xì)比／混合式驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)
1引言
隨著稀土永磁材料和電子技術(shù)的發(fā)展，作為機(jī)電一體化的無刷直流電動(dòng)機(jī)正在逐步取代傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)除了保留有刷直流電動(dòng)機(jī)的良好機(jī)械特性外．還具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，用電子換向代替機(jī)械換向，從而可靠性高，便于高速運(yùn)行，無電火花及電磁干擾，很少需要維護(hù)，特別適用于高真空、高氣壓、大振動(dòng)、有害介質(zhì)、易燃、易爆等為一般有刷直流電動(dòng)機(jī)難于適應(yīng)的惡劣環(huán)境。采用“里翻外”設(shè)計(jì)，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(yīng)快。近年來在汽車工業(yè)、航空工業(yè)等領(lǐng)域，一種全新的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所用的無刷直流電動(dòng)機(jī)，特別是大長細(xì)比的高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)正在迅速增長，但目前國內(nèi)所采用的基本上都是進(jìn)口電機(jī)。本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)組舍擰緊系統(tǒng)對電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的要求，對適合該系統(tǒng)使用的大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析。
2系統(tǒng)要求
標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)電機(jī)具有高的可靠性，且維修簡單方便。在該系統(tǒng)中，通常一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)板手頭，一個(gè)板手頭擰緊一個(gè)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(dòng)機(jī)等聯(lián)接而成的細(xì)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(dòng)機(jī)不僅要具有大長細(xì)比的細(xì)長結(jié)構(gòu)，而且應(yīng)能輸出大的力矩。由于高性能稀土永磁材料的應(yīng)用和電子技術(shù)的發(fā)展，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)體積小、出力大，從而能更好地滿足大長細(xì)比大力矩的設(shè)計(jì)要求，這是其它類型的電機(jī)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(jìn)過程中能夠快速擰進(jìn)，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(diǎn)控制。除第一種控制方法外，其余兩種控制方法還需要電機(jī)傳感器不僅能提拱電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)組合擰緊系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)的大長細(xì)比高性能稀土無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)有以下特點(diǎn)：
a．可靠性高、壽命長、維修簡單方便。
b．呈大長細(xì)比的細(xì)長結(jié)構(gòu)，體積小、效率高。
c．低速時(shí)能輸出大力矩，過載能力強(qiáng)。
d．輕載時(shí)能高速運(yùn)轉(zhuǎn)，速度范圍寬。
e．轉(zhuǎn)子慣量小，響應(yīng)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(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)不能直接借用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，而采用了一種新方案——混合式驅(qū)動(dòng)方案，如圖2所示，定子為三相y連接，中線引出。運(yùn)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(dǎo)通三狀態(tài)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)功率晶體管導(dǎo)通角為120度，導(dǎo)通順序?yàn)閍0、b0、c0；低速大力矩區(qū)（ⅱ、ⅲ區(qū)）為兩相導(dǎo)通六狀態(tài)運(yùn)行，功率晶體管導(dǎo)通角仍為120度。本方案在電機(jī)體積小的條件下，既滿足了低速時(shí)的大力矩要求，同時(shí)又滿足了輕載時(shí)的高轉(zhuǎn)速要求，發(fā)揮了機(jī)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(diǎn)。
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(diǎn)，電機(jī)都可長期運(yùn)行，但在ⅲ區(qū)，只能短時(shí)運(yùn)行。
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