傳統(tǒng)制梯形槽電樞沖片法的不足及完善措施

蔣 昕，張 宇，張躍江

(1. 貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州貴陽(yáng)550003；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽(yáng)550003)

0 引言

電樞梯形槽的選擇對(duì)電動(dòng)機(jī)槽滿率、損耗、效率、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、空載電流、額定轉(zhuǎn)速等性能影響很大[1-2]。梯形槽主要有梨形槽和梯形槽(圖1)。梨形槽沖模制造簡(jiǎn)單，但槽面積較梯形槽小。

圖1 定子梯形槽

在同款電機(jī)設(shè)計(jì)中，槽滿率、繞組并繞根數(shù)、并聯(lián)路數(shù)一定，槽面積越大、可選擇線徑越大，電機(jī)熱負(fù)荷越小，故一般常用梯形槽。

考察以往永磁無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)品，電樞沖片梯形槽均是以Ansoft計(jì)算所得理想梯形槽參數(shù)為基礎(chǔ)，利用傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制。經(jīng)分析，由傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽與實(shí)際Ansoft計(jì)算所得理想梯形槽存在較大差異，現(xiàn)以一臺(tái)某型號(hào)無(wú)人機(jī)用永磁無(wú)刷直流舵電機(jī)(基本參數(shù)如表1)為例，先闡述傳統(tǒng)作圓求點(diǎn)制電樞沖片梯形槽法；然后對(duì)比理想梯形槽找出差異，再分析差異對(duì)電機(jī)槽滿率及性能的影響，最后，提出以作平行線求交點(diǎn)法制理想梯形槽電樞沖片的完善措施。

表1 永磁無(wú)刷直流舵電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)

1 傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)制梯形槽法

圖2(a)、(b)分別是所述永磁無(wú)刷舵電機(jī)梯形槽參數(shù)及Ansoft計(jì)算所得理想梯形槽示意圖。

圖2 理想梯形槽

利用傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法制梯形槽電樞沖片：

(1)先令定子沖片內(nèi)圓直徑為φa，φa=55作圓，再分別以φb=φa+2Hs0=56.5、φc=φb+2Hs1=57.5、φd=φc+2Hs2+2Rs=88.5作圓，然后以φe=100作沖片外徑，最后作中心線A、B，并交于點(diǎn)O，其中中心線A交φa于u點(diǎn)(如圖3)。

(2)以O(shè)為基點(diǎn)，將A中心線逆時(shí)針復(fù)制旋轉(zhuǎn)10°，得C線，交φd圓于v點(diǎn)；再以Bs0/2一半槽口寬作C線的平行線D，分別與φa、φb圓交于m、n兩點(diǎn)(如圖4)。

圖3 圖4

(3)以TW/2一半齒寬作A線平行線E，分別交φc、φd于x、y兩點(diǎn)(如圖5)。

圖5 圖6

(4)保留um弧線，連接mn線段，ny線段，yx線段，保留xv弧線，再將除A、B中心線及φe圓以外的線刪除，再在x處倒Rs=1.5的圓角，得圖6。

(5)以A線為中心線，對(duì)umnyxv線鏡像，再以O(shè)為基點(diǎn)，對(duì)umnyxv線及其鏡像線進(jìn)行陣列，最后按設(shè)計(jì)尺寸標(biāo)注得電樞沖片工程圖7。圖8是按上述傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽電樞沖片實(shí)物圖。

圖7 圖8

2 傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽與實(shí)際梯形槽參數(shù)對(duì)比

圖9 作圓求交點(diǎn)法 所制梯形槽參數(shù)

局部放大傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制單個(gè)梯形槽，并測(cè)量相關(guān)主要參數(shù)，如圖9。

對(duì)比以傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)與理想梯形槽參數(shù)(如表2)，可知，以作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)中圓角半徑R、槽口寬Bs0及槽口高與理想梯形槽尺寸相同，極靴高Hs1和槽深Hs2比理想梯形槽尺寸偏小。具體對(duì)比梯形槽可知，如圖10，理想梯形槽是平底槽，而作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽非平底槽。

圖10 梯形槽對(duì)比圖

表2 梯形槽參數(shù)對(duì)比

3 分析差異對(duì)電機(jī)槽滿率及性能的影響

3.1 槽滿率對(duì)比

在所設(shè)線徑、并聯(lián)支路數(shù)、并繞根數(shù)等其他相關(guān)參數(shù)一定的情況下，將理想梯形槽參數(shù)與傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)分別代入Ansoft仿真建模計(jì)算槽滿率，所得結(jié)果如圖11、圖12。

圖11 理想梯形槽參數(shù)及仿真結(jié)果

圖12 以傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)及仿真結(jié)果

對(duì)比圖11和圖12，以理想梯形槽參數(shù)計(jì)算所得槽滿率約66.76%，而以傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)所得槽滿率約70.7%，兩者相差3.82%。

考慮到實(shí)際繞線過(guò)程中，槽滿率越高，繞線工藝性越差，繞線越困難，而以傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽電樞沖片槽滿率經(jīng)驗(yàn)值一般不超過(guò)68%，對(duì)比以上槽滿率數(shù)據(jù)可知，若以理想梯形槽參數(shù)所制電樞槽滿率可達(dá)到70.7%，留余取整得70%，此時(shí)，電樞繞組可選擇規(guī)格較粗的漆包線以使熱負(fù)荷降低。

3.2 熱負(fù)荷對(duì)比

熱負(fù)荷是衡量電機(jī)發(fā)熱程度的重要參數(shù)，熱負(fù)荷越高，銅耗越高，相同條件下溫升越高?，F(xiàn)以理想梯形槽參數(shù)為基礎(chǔ)，以并繞根數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、繞組層數(shù)等參數(shù)為常量，分別選擇梯形槽電樞沖片槽滿率為66.76%和 70%時(shí)漆包線線徑，并計(jì)算熱負(fù)荷，結(jié)果分別如圖13(a)、(b)。

圖13 最大線徑與熱負(fù)荷值

根據(jù)Ansoft計(jì)算結(jié)果，當(dāng)槽滿率為66.76%時(shí)，可選擇線徑為0.95 mm的漆包線，此時(shí)熱負(fù)荷為116.9 ；當(dāng)槽滿率為70%時(shí)，可選擇線徑為0.98 mm的漆包線，此時(shí)熱負(fù)荷為108.7 。對(duì)比可知，熱負(fù)荷降低了7%。

3.3 磁密及負(fù)載效率對(duì)比

在所設(shè)所選磁鋼性能、漆包線規(guī)格、氣隙長(zhǎng)度等其他相關(guān)參數(shù)相同的情況下，分別將理想梯形槽參數(shù)與傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)代入Maxwell建模計(jì)算電樞齒部、電樞軛部磁密及電機(jī)負(fù)載效率圖，如圖14(a)、(b)。

圖14 電樞磁密云圖及電機(jī)負(fù)載效率圖

對(duì)比圖14(a)和(b)可知，在所設(shè)所選磁鋼性能、漆包線規(guī)格、氣隙長(zhǎng)度等其他相關(guān)參數(shù)相同的情況下，兩種梯形槽電樞軛磁密基本相同，數(shù)值均在1.6 T之間內(nèi)，而由于傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽電樞齒極靴高度是0.39 mm小于理想梯形槽電樞齒部極靴高度0.5 mm，故以傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽所得電樞齒部磁密最高是1.58 T大于理想梯形槽帶電樞齒部磁密1.56 T(但均在經(jīng)驗(yàn)值1.7 T之內(nèi))，故此時(shí)，在額定點(diǎn)，以傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽電機(jī)效率為88.72%，而理想梯形槽電機(jī)效率為88.96%，兩者相差0.24%。

綜上，以Ansoft計(jì)算所得理想梯形槽參數(shù)為基礎(chǔ)，利用傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制電樞沖片梯形槽參數(shù)與理想梯形槽參數(shù)存在差異，若用此種梯形槽電樞沖片，會(huì)增大電機(jī)電樞槽滿率，降低繞線工藝性，延遲產(chǎn)品生產(chǎn)周期，增大電機(jī)熱負(fù)荷及電機(jī)電樞齒部磁密，降低電機(jī)額定點(diǎn)負(fù)載效率。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)電樞梯形槽不同還會(huì)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)電流，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等性能產(chǎn)生影響[3-4]，故用正確的方法制電樞梯形槽，使所制梯形槽參數(shù)與理想梯形槽參數(shù)相符，對(duì)提升電機(jī)性能意義重大。下面將闡述以作平行線求交點(diǎn)制理想梯形槽電樞沖片法。

4 作平行線求交點(diǎn)制理想梯形槽電樞沖片法

1)以Ansoft計(jì)算所得最終理想梯形槽參數(shù)為基礎(chǔ)(如圖15)，分別令電樞沖片內(nèi)圓直徑為φa，外圓直徑為φb，并以φa=55、φb=100作圓，再作中心線A、B，并交于點(diǎn)O(如圖15)。

圖15 圖16

2)以O(shè)為基點(diǎn)，將A中心線順時(shí)針復(fù)制旋轉(zhuǎn)10°，得到C線，交φa于點(diǎn)u；以bs0/2一半槽口寬作C線平行線D，交φa圓于v點(diǎn)；以bs1/2和bs2/2分別作A線平行線E和F(如圖16)。

3)以v點(diǎn)為起點(diǎn)沿C線作線段vm=Hs0=0.75，再通過(guò)點(diǎn)m作B線平行線G；沿D線分別以Hs0+Hs1=1.25、Hs0+Hs1+Hs2=15.25和Hs0+Hs1+Hs2+Rs=16.75為間距作G線平行線J、K、L，其中J線交E線于n點(diǎn)，K線交F線于x點(diǎn)，L線交A線分別于y點(diǎn)(如圖17)。

4)以Rs=1.5作L線與F線的倒角，并連接線段mn、nx；保留弧線uv、沖片外圓φb、中心線A、B和vmnxy線，刪除其余線，得圖18。

圖17 圖18

5)以A線為中心線，對(duì)vmnxy線鏡像，再以O(shè)為基點(diǎn)，對(duì)vmnxy線及其鏡像線進(jìn)行陣列，最后按電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸標(biāo)注得電樞沖片工程圖19。圖20是按上述作平行線求交點(diǎn)法所制理想梯形槽電樞沖片實(shí)物圖。

圖19 圖20

圖21 作平行線求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)

局部放大以作平行線求交點(diǎn)法所制單個(gè)梯形槽，并測(cè)量相關(guān)主要參數(shù)，如圖21。

對(duì)比以作平行線求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)與實(shí)際梯形槽參數(shù)(如表3)，可知以作平行線求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)與理想梯形槽參數(shù)完全相符，故為保證梯形槽電機(jī)槽滿率、繞線工藝性及電機(jī)性能，建議采用以Ansoft計(jì)算所得理想梯形槽參數(shù)為基礎(chǔ)，利用作平行線求交點(diǎn)法制梯形槽電樞沖片。

表3 梯形槽參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

本文以一臺(tái)1.2 kW某型號(hào)無(wú)人機(jī)用永磁無(wú)刷直流舵電機(jī)為例，闡述了傳統(tǒng)作圓求點(diǎn)制電樞沖片梯形槽法；然后對(duì)比理想梯形槽找出差異，經(jīng)分析差異對(duì)電機(jī)槽滿率、熱負(fù)荷、磁密、負(fù)載效率等性能的影響，得出以下結(jié)論：

1)以傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽參數(shù)所得槽滿率比以理想梯形槽參數(shù)計(jì)算所得槽滿率高，考慮實(shí)際以傳統(tǒng)法制電樞槽滿率經(jīng)驗(yàn)值一般不超過(guò)68%，若以理想梯形槽參數(shù)所制電樞槽滿率可達(dá)到70.7%，留余取整為70%，故若以理想梯形槽參數(shù)制電樞槽滿率經(jīng)驗(yàn)值上限可設(shè)為70%，此時(shí)，電樞繞組可選擇規(guī)格較粗的漆包線以降低電機(jī)熱負(fù)荷。

2)當(dāng)以70%為上限，以理想梯形槽參數(shù)制梯形槽電樞可選擇比以傳統(tǒng)法所制梯形槽電樞規(guī)格較粗的漆包線，而電機(jī)熱負(fù)荷可降低7%。

3)在所設(shè)所選磁鋼性能、漆包線規(guī)格、氣隙長(zhǎng)度等其他相關(guān)參數(shù)相同的情況下，以傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)法所制梯形槽電樞齒部磁密高于理想梯形槽帶電樞齒部磁密；在額定點(diǎn)，以傳統(tǒng)法所制梯形槽電機(jī)效率比理想梯形槽電機(jī)效率低0.24%。

考慮傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)制梯形槽法的不足皆是因?yàn)閭鹘y(tǒng)法所制梯形槽參數(shù)與理想梯形槽參數(shù)不相符，故本文最后提出以作平行線求交點(diǎn)制理想梯形槽電樞沖片法的完善措施，以此種方法所制梯形槽參數(shù)與理想梯形槽參數(shù)完全相符。建議在電機(jī)研制生產(chǎn)中，將以作平行線求交點(diǎn)制梯形槽電樞沖片法替代傳統(tǒng)制梯形槽電樞沖片法，以降低電機(jī)槽滿率和熱負(fù)荷，縮短電機(jī)研制周期，提高電機(jī)運(yùn)行效率。