高集成度雙傳感器微型無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)

吳貴川，楊榮江，董江峰

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州貴陽550008；2.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽550008)

0 引言

在各種無人設(shè)備和智能化設(shè)備飛速發(fā)展的今天，電機(jī)在其中占據(jù)著舉足輕重的作用。比如現(xiàn)在很多國家都在研究的服務(wù)機(jī)器人(Service Robots)，而服務(wù)機(jī)器人最顯著地一個(gè)特點(diǎn)就是自由度(DOF)較多，而每一個(gè)自由度就意味著一個(gè)伺服電機(jī)系統(tǒng)，通常一個(gè)服務(wù)機(jī)器人的自由度在15以上。也就意味著至少需要15個(gè)以上的電機(jī)。而在大部分伺服電機(jī)系統(tǒng)中都以無刷機(jī)為主。

大部分無刷電機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)采用的傳感器為霍爾傳感器，該類型電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，成本較低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)缺點(diǎn)也很明顯，霍爾傳感器的精度偏低，而且單個(gè)傳感器在使用安全上也有一定隱患，如果單個(gè)霍爾元器件壞掉整個(gè)電機(jī)就無法正常使用[1]。因此，為獲得較高的控制精度與精確的信息反饋，某些電機(jī)在尾部加上一個(gè)非接觸式磁旋轉(zhuǎn)編碼器。該編碼器可提供12位的分辨率，工作速度快，抗污染能力強(qiáng)，防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP68。這樣既提高了控制精度，又防止在某個(gè)傳感器出問題時(shí)電機(jī)無法正常使用，大大提高了電機(jī)使用的可靠性。

1 雙傳感器微型無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)思路

一般的無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，控制方式也相對容易，但由于霍爾元器件的限制，控制精度較低，存在一定的安全隱患。永磁同步電機(jī)控制精度高但是控制方式相對復(fù)雜。為了增加控制精度且不增加控制難度，可增加一個(gè)非接觸式的磁編碼器。由于編碼器的結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子分體非接觸式，編碼器轉(zhuǎn)子嵌入電機(jī)轉(zhuǎn)尾端，編碼器定子與其在軸向分開一定距離，所以該編碼器只能裝在電機(jī)尾端。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電機(jī)的使用工況，如振動(dòng)、沖擊、工作時(shí)長、工作效率等等。需通過合理的結(jié)構(gòu)布置、電磁設(shè)計(jì)等方式來滿足需求。

該種電機(jī)由于空間緊湊，功率較小，且為長時(shí)工作，一般需解決以下問題：

1)電機(jī)的結(jié)構(gòu)布置；2)電機(jī)鐵耗；3)齒槽轉(zhuǎn)矩；4)電機(jī)的溫升。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)的布置

電機(jī)尺寸較小，空間非常緊湊，結(jié)構(gòu)布置必須合理，需要將各零部件尺寸都盡量壓縮。殼體采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，保證強(qiáng)度的同時(shí)能得到較大的內(nèi)部空間。磁旋轉(zhuǎn)編碼器為非接觸式，定轉(zhuǎn)子分開，雖然徑向尺寸很小，但軸向尺寸并不小，較占空間。磁旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)子為光滑圓柱結(jié)構(gòu)，需固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上。電機(jī)為雙方向旋轉(zhuǎn)，編碼器轉(zhuǎn)子固定時(shí)需考慮防松裝置。該電機(jī)是制作專用護(hù)套一端將編碼器轉(zhuǎn)子固定在其腔體內(nèi)，另一端通過內(nèi)螺紋嵌入鋼絲螺套固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上。霍爾采用立焊結(jié)構(gòu)，霍爾傳感器金屬面平行于電機(jī)軸線，這樣可以節(jié)省徑向空間，同時(shí)用專用支架將霍爾元器件固定，作為保護(hù)。軸承采用法蘭軸承以減小軸向空間的占用。

一般無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1，主要由定轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋、霍爾組件等構(gòu)成，且空間較充裕。圖2為某型雙傳感器微型無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，由圖2可看出電機(jī)在結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜不少，也更為緊湊。圖3為與其結(jié)構(gòu)一致的實(shí)物圖。由圖可看出該電機(jī)小于1元硬幣的直徑(1元硬幣直徑為25 mm)，長度小于48 mm，額定功率約為5.5 W，空載時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá)將近20000 rpm，且為長時(shí)工作，能達(dá)到機(jī)載設(shè)備的各項(xiàng)要求。

1-軸承；2-定子；3-轉(zhuǎn)子；4-霍爾組件；5-端蓋。圖1 一般無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1-軸承；2-定子；3-轉(zhuǎn)子；4-霍爾組件；5-端蓋；6-后端蓋；7-編碼器樁子；8-蓋板；9-編碼器定子。圖2 某型雙傳感器微型無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 電機(jī)損耗

3.1 銅耗

電流通過電機(jī)繞組時(shí)，由于繞組電阻的原因產(chǎn)生熱量，即為銅耗。銅耗的多少直接影響著電機(jī)繞組的溫升[2]。電機(jī)的銅耗為：

PCu=mI2R

(1)

圖3 電機(jī)實(shí)物圖

式中：m為電機(jī)相數(shù)；I為電機(jī)電流；R為電機(jī)電阻。以圖3電機(jī)為例，相數(shù)為3，額定工況下相電流約為0.25 A，常溫下的相電阻為2.15 Ω，最后結(jié)果為0.4 W，相對輸出來說非常小了，所以在此類功率小的微型電機(jī)中，銅耗可不用太過關(guān)注。

3.2 鐵耗

對于功率不到10 W的微型電機(jī)，電機(jī)的效率是很低。由于銅耗所占的比重很小，相對的，鐵耗所占比例就會(huì)較高。在設(shè)計(jì)過程中，鐵耗可簡化為式2計(jì)算：

PFe=Ph+Pc

(2)

式中：PFe為鐵耗，Ph為磁滯損耗，Pc為渦流損耗。

(3)

式中：Kh為磁滯損耗系數(shù)；對一般硅鋼片α取1.6～2.3；f為電機(jī)磁場的交變頻率；Bm為磁密幅值。建立Ansoft模型，磁滯損耗由Ansoft計(jì)算[3]，電機(jī)為分?jǐn)?shù)槽時(shí)曲線如圖4。

圖4 分?jǐn)?shù)槽時(shí)電機(jī)的磁滯損耗

圖5為分?jǐn)?shù)槽時(shí)電機(jī)的渦流損耗[4]。

圖5 分?jǐn)?shù)槽時(shí)電機(jī)的渦流損耗

由圖4、圖5可看出，分?jǐn)?shù)槽時(shí)電機(jī)的磁滯損耗和渦流損耗分別為5.9W、2.8W，鐵耗過大，達(dá)到了8.7W，嚴(yán)重影響電機(jī)的性能。改為整數(shù)槽之后電機(jī)的損耗見圖6、圖7。

圖6 整數(shù)槽時(shí)電機(jī)的磁滯損耗

改為整數(shù)槽之后電機(jī)的磁滯損耗和渦流損耗分別為2W、0.4W，鐵耗降為2.4W，比分?jǐn)?shù)槽時(shí)小很多，在可接受范圍。假設(shè)其他損耗為0.2W，則電機(jī)的效率約為6/(6+2.4+0.4+0.2)≈0.667，也就是說效率可達(dá)66.7%。

圖7 整數(shù)槽時(shí)電機(jī)的渦流損耗

4 齒槽轉(zhuǎn)矩及其削弱方法

無刷電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩是電樞鐵芯的齒槽與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。由于齒槽轉(zhuǎn)矩的存在會(huì)增大電機(jī)最初的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這對一般的電機(jī)問題不大，但對于功率不到10W的小電機(jī)來說影響就很大了。

齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：

(4)

式中：Φm為永磁磁通，R為氣隙磁阻。式(4)表明齒槽轉(zhuǎn)矩與永磁磁通的平方成正比關(guān)系。可見，如果適當(dāng)降低磁通密度，可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩，但同時(shí)也降低了電機(jī)的性能。因此，減小dR/dθ是抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的可行辦法。由此得到的可降低齒槽轉(zhuǎn)矩的主要措施有：分?jǐn)?shù)槽繞組、優(yōu)化磁極極弧和槽口寬、斜槽和斜極、磁極分段錯(cuò)位、磁極偏移等。該電機(jī)不能用分?jǐn)?shù)槽，考慮到電機(jī)的工藝性，磁鋼易碎不易加工等情況，所以將消除齒槽轉(zhuǎn)矩的方法定為電樞斜槽。

轉(zhuǎn)子每一轉(zhuǎn)出現(xiàn)的齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期數(shù)等于定子槽數(shù)Z和極數(shù)2p的最小公倍數(shù)Nc，即一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期對應(yīng)的機(jī)械角θ1=360°/Nc。因此，如果定子鐵芯的斜槽角和它相等，即可消除齒槽轉(zhuǎn)矩的基波：

θsk=360°/Nc

(5)

該電機(jī)為4極12槽結(jié)構(gòu)，按式(5)計(jì)算出斜槽角度為30°。由于電機(jī)的空間限制，定子鐵芯的長度只有不到13mm，斜槽之后嵌線會(huì)難度增加，所以槽滿率必須控制在較低的一個(gè)范圍，嵌線困難時(shí)可考慮采取分段槽契。

5 電機(jī)的溫升

電機(jī)中主要熱源有鐵耗，銅耗[5]。由于軸承摩擦損耗分析過程分析涉及到耦合場仿真問題，較為復(fù)雜，可暫不考慮，主要考慮鐵耗，銅耗。工況均假定周圍環(huán)境溫度為70℃，考慮最嚴(yán)酷的散熱工況，電機(jī)通過機(jī)殼表面與空氣對流換熱和輻射散熱[6]。對電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行仿真。該電機(jī)為長時(shí)工作制，一次工作20000s，用穩(wěn)態(tài)溫度場計(jì)算電機(jī)穩(wěn)定后的工作溫度，得到各部件最高溫度，見表1。

表1 各部件最高溫度分布

溫度曲線及各部分溫度分布見圖8、圖9。

圖8 溫度曲線

圖9 溫度分布圖

從分析結(jié)果可以看出，電機(jī)的溫度分布中，最高溫度產(chǎn)生在繞組部位為130℃。對于一般電機(jī)來說完全不是問題，也就是說該電機(jī)完全可以滿足長時(shí)工作的需求。

6 結(jié)語

該電機(jī)在設(shè)計(jì)過程中須合理安排好各零部件的結(jié)構(gòu)及尺寸分布，考慮磁旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)子的防松。由于電機(jī)功率小，各種損耗對電機(jī)都有可能造成很大影響。目前該類型電機(jī)已出了兩款，經(jīng)過試驗(yàn)后性能很好，滿完全足GB 1863A-2015及主機(jī)提出的功能試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)要求，在高集成度的同時(shí)提高了控制精度，減小了尺寸。