拼塊式和鉸鏈式無刷直流電動機
王崢1，2
(1上海交通大學，上海200030；2中國電子科技集團第二十一研究所，上海200233)
摘要：主要介紹兩種新型的無刷直流電動機電樞結構，即拼塊式和鉸鏈式電樞。分析了采用該電樞結構的條件，然后詳細介紹其電樞沖片、電樞鐵心和槽絕緣，并舉例介紹拼塊式無刷直流電動機電樞的嵌線和拼裝。最后通過對比說明，采用拼塊式和鉸鏈式電摳結構能夠大大節約電樞鐵心成本，提高電機性能。
關鍵詞：拼塊式電樞；鉸鏈式電樞；無刷直流電動機
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05—0016—03
O引 言
中小型電機大多采用傳統的整圓式電樞沖片，即電樞沖片是整圓的，齒槽交錯、均勻連續地沿圓周分布。在電樞沖片加工過程中，勢必產生許多邊角廢料，影響硅鋼材料的利用率，增加制造成本。這種整圓式的電樞鐵心嵌線比較困難，槽滿率低，端部相對較長，不利于提高產品的性能和規�；a。
本文分析研究了一種新型的電樞結構，即拼塊式和鉸鏈式電機電樞。這種電樞結構可以提高原材料的利用率，降低成本，改善電機產品的性能。同時，也將為無刷直流電動機提供一種新穎、有效的結構形式，并將推動其產業化發展。
1采用拼塊式和鉸鏈式電樞結構的條件
首先，介紹四個概念。
(1)分數槽繞組。分數槽繞組就是每極每相槽數為分數，即：
式中：q為每極每相槽數；z為定子或轉子槽數；p為極對數；m為繞組相數。
(2)極距。一個磁極在圓周方向所跨過的距離，通常以槽數來表示。即：
式中：t為極距。
(3)繞組節距。一個電樞元件在圓周方向所跨過的槽數，用y來表示。當y=r時，稱為全距繞組；當y或y>r時，稱為短距或長距繞組。通常，為了消除或減小電樞繞組磁勢諧波，采用短距或長距繞組。
(4)短距系數或長距系數。公式如下：
為了保證繞組基波磁勢不會被消弱太多，繞組的短距系數或長距系數不宜太小，也就是繞組節距盡量接近極距。
當極距t接近于1時，通常繞組節距取1，該繞組稱為集中式繞組。
表1列出了微型無刷直流電動機經常采用的極槽配合以及相關參數(假設m=3)。可以看出，   如果采用表2中的極槽配合和繞組節距，Kp1會很小，電機性能會過分消弱。
2拼塊式和鉸鏈式無刷直流電動機電樞特點
2．1拼塊式和鉸鏈式無刷直流電動機電樞沖片
拼塊式電樞沖片具有較明顯的結構特征，就是將傳統的整圓的電樞沖分成z(槽數)單元，z個單元是分離的。圖1為傳統式電樞沖片，圖2為拼塊式電樞沖片。
鉸鏈式電樞沖片是在拼塊式電樞沖片基礎上發展而來，連續沖制，并使z個單元相互銜接地排列成一條直線，更利于規�；a。圖3為鉸鏈式電樞沖片。
單個拼塊式電樞沖片的面積是整個電樞沖片的1／z，可以利用帶狀材料沖制，減少邊角廢料。而且，可以通過合理安排沖制工藝，進一步減少邊角料的浪費。
拼塊式和鉸鏈式電樞沖片上有三個隼峁，片與片之間可以通過隼峁相扣，所以電樞鐵心疊裝不需要黏結劑，并且可以在沖片沖制過程中自動完成。對于大機座號的電機，可以在
電樞外圓接縫處增加激光點焊，防止散片，提高可靠性。圖4為單個拼塊式電樞鐵心，圖5為鉸鏈式電樞鐵心。
2.2拼塊式和鉸鏈式電樞槽絕緣
傳統的電樞槽絕緣材料大多為聚酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜和聚酰亞胺等薄膜材料，這些薄膜材料墊在鐵心槽中容易滑動，所以通常采用人工嵌線。拼塊式或鉸鏈式電樞的槽被一分為二，薄膜材料很難定位，不僅不利于人工或機器嵌線，還會降低生產效率，所以薄膜材料不宜作為鉸鏈式電樞的槽絕緣。通常采用一種新型結構的槽絕緣材料，即聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，PBT可以在140℃下長期工作，而玻璃纖維PBT的耐熱程度可達200℃。采用注塑成型，使之與電樞鐵心緊密貼合。這種槽絕緣既具有足夠的機械和絕緣強度，平整，厚度適中，又易于嵌線，節省槽空間。圖6為該槽絕緣的結構圖，可直接從兩端將鐵心套著，使電樞線圈與鐵心完全隔離，起到很好的機械與電氣保護作用。
2.3拼塊式和鉸鏈式電樞的嵌線與拼裝
將繞制好的線圈安放到槽中或將導線直接繞在電樞槽中即為嵌線，這是整個電機電樞制造中的一個重要工序，也是工作量較大的一道工序。嵌線工藝的好壞不僅直接關系到是否能夠實施電樞繞組的設計方案，而且會影響電樞繞組的槽利用率和整個絕緣系統的可靠性。拼塊式和鉸鏈式電樞結構，由于采用集中繞組和特殊的槽絕緣，繞組安放和固定相對比較簡單，可以進行機器嵌線。
拼塊式電樞嵌線時先逐個將電磁線直接繞制在電樞鐵心的齒部；然后通過專門的拼裝工具將繞制好的電樞鐵心拼裝起來，并壓入機殼內，或者直接插入機殼內；最后按照繞組接線圖接線。鉸鏈式電樞嵌線時則連續地將電磁線直接繞制在電樞鐵心的齒部；然后利用鐵心的凹凸結構直接將繞制好的電樞鐵心拼裝成圓，并壓入機殼內；最后按照繞組接線圖接線，或者將線頭焊接在PcB電路板上。
下面以12槽10極無刷直流電動機為例進行研究，電機繞組星形向量圖如圖7所示。繞組相帶分布如表3所示。
根據表3，在采用拼塊式電樞嵌線時，可以將兩個電樞鐵心連續繞制，提高繞制效率，減少接線頭。根據表3，要求相鄰的兩個鐵心，一個正繞，一個反繞再拼接而成，并且正反繞向要與鐵心的凹凸記號槽相對應。
實際嵌線時采用專用夾具，如圖8所示。將兩個鐵心為一組，裝入繞線夾具，繞線夾具槽口割制了與鐵心相對應的凹凸記號槽，以保證兩鐵心的位置不會弄錯。繞線夾具的方槽與繞線機相連，繞線時繞線機的主軸帶動夾具回轉繞線，繞制好一個鐵心后，換一個方向繞制另一個鐵心。
繞制時，要求嵌入槽中的電磁線和線圈端部都應排列整齊，無嚴重交叉，以防止槽滿率降低或破壞電磁線漆膜。
繞制好的電樞鐵心按照電樞接線圖要求接線，同一相的繞組首尾相連或舀酋沖目連，注意極性，如圖9所示．
最后，將繞制好的鐵心放在專用的拼裝夾具中將鐵心整成一體，如圖10所示，并壓入機殼。
3拼塊式和鉸鏈式電樞結構的優點
現有一種無刷直流電動機，其主要技術指標如下：額定電壓為300 V，額定功率為750 w，額定轉速為3000 r／min，定子外徑為Φ86mm，鐵心長度為66mm。
設計方案采取12槽／10極，則q=O 4，r=l 2，可取y=1，采用集中繞組。
拼塊式和鉸鏈式無刷直流電動機相對于傳統式無刷直流電動機有以下幾個優點：
3．1節約原材料
定子沖片尺寸如表4所示。
拼塊式和鉸鏈式電樞沖片可以采用帶狀材料沖制，而傳統式電樞沖片多采用方料沖制，且可以按圖ll兩種方式沖制。
傳統式與拼塊式、鉸鏈式電樞沖片的材料成本對比如表5所示。
由表5可以看出，對單個沖片而言，拼塊式和鉸鏈式結構所需要的材料僅是傳統式結構的77．2％左右，改善工藝后甚至可以減少至55 9％。所以，對于一定長度的電樞鐵心，拼塊式和鉸鏈式電樞鐵心成本****可以減少至傳統式電樞鐵心的56％左右，節約成本是相當可觀的。
3．2降低齒槽轉矩
拼塊式和鉸鏈式電樞嵌線工藝不同于傳統式電樞，它是直接將電磁線圈直接繞在電樞齒部，不需要考慮電樞鐵心的槽口寬度，故可以設計成為閉口槽。閉口槽對于降低齒槽轉矩，改善轉矩波動會起到不可忽視的作用。當取不同的槽口寬bs0時，利用Anson軟件仿真得到的齒槽轉矩，如圖12所示。  3．3槽滿率高、效率高
拼塊式和鉸鏈式電樞繞組直接機繞在電樞齒部，繞組排列整齊、端部長度小、槽滿率高。端部長度小，可以減小單個繞組的半匝長，降低銅耗，提高電機效率。具體對比如表6所示。
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