無槽永磁無刷電動機設計研究
魏靜微1，張宏宇2
(1哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，哈爾濱150040；2黑龍江大學，哈爾濱150086)
摘要：在永磁無刷電動機的工作原理和結構特點基礎上，分析了無槽永磁無刷電動機的結構及工藝的特殊性；采用等效磁路法對250 W典型樣機進行了電磁設計及結構設計，進行了樣機試制；通過對試制樣機的測試，得出該電機的實驗數據及特性曲線，經過與理論設計值比較，驗證理論分析的正確性。
關鍵詞：無槽；永磁電機；永磁無刷電動機
中圖分類號：TM351；TM36 +1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848(2010)02-0009-03
0引言
無槽永磁無刷電動機是近年來產生并得到發展的一種新型電機，把無槽結構引入永磁無刷電動機就是為了****程度的利用稀土永磁材料的高性能，從而得到高性能無刷永碰電動機的特殊性能并配以優良的驅動系統使其成為理想的伺服執行元件。特別適用于家用電器、辦公設備、醫療器械等要求低噪聲的場合，成為一代很有發展前景的無刷電動機品種，引起相當大的關注，國內的文獻也有一些反映。
無槽永磁無刷電動機是為軍事需要而誕生的，隨著電子技術和永磁材料的不斷發展，如今已在民用事業中嶄露頭角，從文獻[2]中可以看出，產品的功率范圍為5 W~22 kW，電流范圍l A120 A，電壓范圍12 V—480V，機座號范圍吊34~360，足以和傳統永磁無刷電動機現有產品范圍相提并論，其應用領域遍及各行各業。
本文在分析無槽永磁無刷電動機結構、電磁設計及制造工藝特點的基礎上，同時設計與制造了樣機，通過樣機實驗數據測試及實驗曲線繪制，進一步證明了該種電機的優異特性。
l結構特點
無槽永磁無刷電動機是永磁無刷電動機改良發展而派生的一種新型特種電機，其結構特點在于電樞鐵心上設有齒和槽，用漆包線在鐵心表面編織成繞組，并用膠將它固化、粘牢，故稱“表面繞組”，因此，這種電機的氣隙比普通永磁無刷電動機大得多。為了產生足夠的氣隙磁密，要求永磁體必須有大的剩磁、矯頑力和磁能積，近隼來迅速發展的釹鐵硼永磁材料完全能滿足這種要求。
無槽永磁無刷電動機根據用途不同，電機可以做成徑向磁場，即圓柱式電機，也可以做成軸向磁場，即圓盤式電機。有電樞，永磁轉子，控制與驅動電路等三部分：
1)電樞部分圓柱式電機的電樞鐵心為圓環形結構，由硅鋼片沖制而成，圓環沖成后迭壓在一起焊成整體結構。電樞繞組由自粘性電磁線或普通電磁線繞制而成，繞制后排列成型放在專用工具加熱自粘成型或浸膠壓制成型。為了使繞組壓制過程中不致破壓，常常在繞組內外圓放一較薄絕緣套筒，并將它與電樞壓在一起。
圓盤式電機的電樞鐵心也為一圓環形結構，但硅鋼片不需沖制，只要把硅鋼片裁成條料卷成圓環即可，這種鐵心不但制造簡單，而且也節約材料。電樞繞組則需繞成扇形，繞成后直接壓在電樞鐵心上，其工藝與圓柱式電機相同，如果電機功率不大時，電樞繞組也可采用印刷電路。
2)永磁轉子 由于該種電機電氣氣隙較大，因而磁鋼體積也較大，高速時離心力也較大，有時離心力可能超過粘膠的剝離強度。為了使轉子磁鋼在高速運轉時不致甩出。常常要在轉子表面加不導磁的不銹鋼圈進行加固，而且要有一定的預應力。
3)控制與驅動電路無槽永磁無利電動機的控制與驅動電路可以采用與無刷直流電動機相同的電路。根據供電電源及要求不同而采用不同的驅動與控制形式。
2電磁設計
電磁設計最關鍵的問題是電磁負荷的選擇，對于不同的性能要求和使用場合，電磁負荷選擇不同。由于該電機電氣氣隙較大，我們可以選擇較大的電負荷91度這樣，電樞繞組的直流電阻就會較小，對驅動系統電流環控制比較容易，且電機的溫升也比較容易控制。
磁負荷選擇考慮到該種電機氣隙大，永磁材料應采用強磁材料，如NdFeB等材料，而氣隙長度應考慮在電樞繞組能合理布置前提下盡可能小。一般情況下，電氣氣隙在4 mm～8 mm。
當磁性材料與磁路結構初步確定后，可按下述步驟計算：
1)以方波驅動為例，則氣隙磁通為：
2)如忽略定轉子軛磁位降勢，總磁位降為：
3)設為總磁通與總磁勢的標么值，則總磁通標么值可寫為：
式中，σ為為漏磁系數；φT為磁性材料****去磁磁感應強度。
式中，Fc為磁性材料****磁感矯頑力。
(4)對于NdFeB永磁材料，可以寫出
利用上述關系，用圖觶法即可求出Bδ，如所得Bδ值與初選值接近，則磁鋼設計合理，否則應調整磁路尺寸再進行迭代計算，直至合適為止。
當電樞繞組接線方式和電子開關電路選定后，即可根據相應公式確定每相串聯導體數和總導體數，以及根據電流密度選取導線線規。
在繞組設計時應根據給定的額定轉速取空載轉速，因為空載轉速的確定與轉速變化斜率有關，即與繞組導線電阻有關，顯然繞組確定后需要重新核算空載轉速，直至合適為止。
當繞組確定后應核算槽滿率（虛擬槽滿率），如不合適則改變線規，甚至改變磁性材料尺寸。
3制造工藝特點
無槽無刷電機在制造工藝上有如下特點[2]：
1由于沒有了嵌放電樞線圈的槽形，所以必須將電樞繞組制作成整體式圓筒形結構即筒形線圈，然后將其安放到光滑的電樞鐵心圓環面上；
2由于沒有承受電磁轉矩的槽形，因此要求筒形線圈的整體性好，強度高，與電樞鐵心的結合牢固，這必然要使用特殊技術手段才能實現；
3．位置檢測霍爾元件相對于繞組的邏輯位置必需用專門的儀器檢測確定；
4．就電機的整體結構而言，其復雜程度降低了，有利于專業化生產。
4樣機試制及實驗結果分析
應用RMxprt軟件對功率為250 W無槽永磁無刷電動機進行了設計[6,7]，并與樣機在額定狀態下實測值進行比較。表1為樣機的技術指標，表2為額定工況下電機設計值與實測值的比較。設計時電機所用硅鋼片為DW400-50，電樞繞組為QZNIB自粘性漆包線，永磁材料為NdFeB永磁材料，牌號為NTP-216H．其磁性能：剩磁磁感應強度Bτ=1. 04 T，磁感矯頑力Hc=784 kA/m，****磁能積(BH)max= 207kj／m3。
樣機試制完成后，進行了樣機試驗，利用Matlab繪制樣機的工作特性曲線。樣機實物圖如圖1所示，試驗曲線如圖2所示。
通過樣機試驗測試可以看出，樣機已達到設計要求，圓滿完成典型樣機的設計任務及試制工作。通過此次樣機試制，可以看到無槽無刷直流電動機的顯著優點：
1．高效率250 W典型樣機****效率可達百分之80. 30，與相同規格的的普通無刷電機相比，效率約可提高5010。
2．輸出功率更大可以明顯看出，相比于同樣體積大小的普通無刷電機，無槽永磁無刷電動機輸出功率更大，這也是我們開發研究電機無槽化的另一重要原因。
3．定位干擾力矩小通過對樣機現場實驗檢測，電機運行平穩，干擾力矩小。
4．噪聲明顯減小 由于無槽永磁無刷電機無齒槽，不會引起齒槽轉短脈動，及齒槽引起的損耗，這些都是減小噪音的有利因素。
5．沒有齒槽轉矩樣機實際測試進一步驗證了無槽電機沒有齒槽轉矩，進而帶來了該種電機的諸多優點。
5結論
本文根據無槽永磁無刷電動機的結構特點，運用永磁電機的基本理論，結合無槽電機的電磁設計將點，在無刷電機的電磁設計程序基礎上對無槽永磁無刷電機的電磁設計進行了相關的探討并編制了電磁計算程序，應用本程序進行典型樣機的電磁計算，根據計算結果，繪制出樣機的工作特性曲線，從而對運行狀況進行了分析；此外，進行了額定狀態下與樣機實驗數據進行比較，通過比較可以看出，計算程序的計算結果接近實際值，說明本程序的設計思想及設計手段可以應用于該種電機的設計實踐中，具有實際的工程應用價值。
|
