空心繞線杯無刷電機繞組設計技術

楊素香，石 峰，王 崢，單鵬飛

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

空心杯無刷伺服電機定子鐵心無齒槽，繞組形式為空心杯結(jié)構(gòu)，降低了產(chǎn)品的靜摩擦力矩、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，從根本上消除了鐵心渦流效應，進而減少了電機運行時的能耗，它具有較好的控制特性和運行特性，在各類伺服驅(qū)動場合得到了廣泛應用，是無刷電機未來發(fā)展方向。目前，國內(nèi)空心杯無刷伺服電機基本依賴進口[1]，國內(nèi)對空心杯無刷電機的研制還處于發(fā)展階段，研究方向以同心式繞組形式為主流方向，主要還停留在繞組結(jié)構(gòu)形式、性能分析、工藝流程探索階段，與國外成熟產(chǎn)品還存在一定差距。

本文分析了空心杯無刷電機繞組不同結(jié)構(gòu)形式繞制方法，給出影響繞線杯設計的關鍵參數(shù)，重點分析了菱形繞線杯的結(jié)構(gòu)形式及繞組參數(shù)設計的方法，通過菱形繞線杯產(chǎn)品試制，驗證了菱形繞線杯無刷電機的設計方法和加工方法的合理性和可行性，對空心杯無刷電機產(chǎn)品設計提供參考[2]。

1 空心杯無刷電機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

空心杯無刷電機體積小、質(zhì)量輕，主要由定子組件、空心杯組件、傳感器組件、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承等組成，設計結(jié)構(gòu)如圖1所示。為減小齒槽轉(zhuǎn)矩，降低起動轉(zhuǎn)矩，定子鐵心采用無齒槽結(jié)構(gòu)，三相定子繞組采用繞線杯結(jié)構(gòu)。位置傳感器采用開關型霍爾元件，傳感器磁鋼與主磁鋼轉(zhuǎn)子同軸連接，霍爾位置的精確定位通過繞線杯位置及傳感器調(diào)節(jié)進行固定。

(a) 空心杯無刷電機結(jié)構(gòu)圖

繞線杯結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)空心杯無刷電機降低齒槽轉(zhuǎn)矩的關鍵部件，其繞線杯獨立線圈周向?qū)ΨQ安裝分布均勻性、繞線杯繞組固定方式、引出線的焊接等均是產(chǎn)品實現(xiàn)的關鍵。因此，繞線杯繞組在結(jié)構(gòu)上主要由三相對稱分布的繞組、繞組固定支架、引出線焊接板組成。

2 定子空心繞線杯組件設計

2.1 定子空心杯組件結(jié)構(gòu)設計

定子空心杯組件主要由繞線杯、繞線杯固定架、傳感器組件等組成，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。繞線杯經(jīng)繞制、周向整形形成三相對稱繞線杯后進行絕緣處理后固定在繞線杯固定架上，引出線焊接在傳感器組件上，三相繞組中線通過傳感器電路板連接在一起，引出線與傳感器引出線一同從電路板上引出。

圖2 定子空心杯組件結(jié)構(gòu)圖

2.2 空心繞線杯繞組結(jié)構(gòu)形式

1) 直繞式

直繞式是指元件有效導體部分與電樞軸線平行的繞組，屬于集中繞組。繞制時先按匝數(shù)要求在繞線模上繞制成普通環(huán)形的漆包線元件，在排線芯軸上按繞組展開圖連成繞組，兩端部涂以適當?shù)恼辰觿┎⒐袒尚汀?/p>

這種繞制方法槽滿率較高，繞線杯中部壁薄，但由于繞制線圈時漆包線排布不整齊有堆疊，故整個電樞杯線圈排布較亂，且排線時端部須留有走線余量，從而導致端部尺寸較高[3]。直繞式繞線杯平面連線如圖3所示。

圖3 直繞式繞線杯平面連接圖

2) 斜繞式

斜繞式也稱蜂房式繞組，采用蜂房式繞法制成，中間留抽頭，為了能連續(xù)繞制，必須使元件有效邊和電樞軸線成一定傾斜角度[4]。繞線時需制作專用的繞線芯軸，芯軸上插有兩排銷釘。芯軸的外圓即為電樞杯的內(nèi)徑，銷釘?shù)奈恢冒凑绽@線展開圖排布，銷釘?shù)男芯嗉礊殡姌斜拈L度。繞線時將芯軸裝入人工繞線機上，操作者轉(zhuǎn)動繞線機的手柄，則芯軸跟隨繞線機做回轉(zhuǎn)運動，漆包線即纏繞在芯軸上。

這種繞制方法端部尺寸較小，但由于斜繞式連續(xù)繞制需要一定的排線角，使得漆包線交疊，槽滿率較低。

3) 菱形繞組

如圖4所示，采用先繞制成形線圈再排線的方法，即采用自粘性漆包線在專用成形繞線模上繞制，經(jīng)過多次整形排布制成電樞杯。繞制時兩層線圈排布整齊并定型，便于控制整形后電樞杯的尺寸，提高槽滿率；同時這種方法生產(chǎn)效率高，適合批量生產(chǎn)[4]，單個菱形繞組如圖5所示。

圖4 菱形繞組杯平面圖

圖5 菱形單個繞組實物圖

2.3 菱形繞線杯結(jié)構(gòu)設計

繞線杯由單個成形線圈組成，線圈一般采用自粘性方導線，便于繞制與固定。依據(jù)產(chǎn)品設計尺寸要求，進行單個線圈的整形處理，成型后的線圈采用專用工裝定位進行環(huán)形固定，如圖6所示。

圖6 整形固定后繞線杯示意圖

2.4 菱形繞線杯參數(shù)設計

1) 極槽配合選擇與優(yōu)化

電機極槽(虛擬槽)配合在無刷電機設計中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，合適的極槽配合可以使得電機各項性能更能滿足指標要求。對于空心杯電機，一個合適的極槽配合影響更大，不但影響電機電磁設計參數(shù)，更會影響繞組杯子的繞制工藝，進而影響電機的性能參數(shù)、加工成本和效率等。由于空心杯無刷電機體積小、轉(zhuǎn)速較高、靜摩擦力矩更小，因此，電機極數(shù)不宜過多，一般選用2極或4極。

2) 繞組系數(shù)設計

菱形空心杯電機是由數(shù)個菱形線圈按照一定的規(guī)則排列而成。由于菱形線圈存在一個斜度，所以其繞組系數(shù)要較相同極槽配合的直槽電機小。同時，其繞組系數(shù)又與鐵心式電機不同，空心杯繞組的繞組系數(shù)還與磁鋼的長度有關，如圖7所示。若繞組縱向長度為c，則當磁鋼長度小于c時，其繞組系數(shù)的變化規(guī)律和磁鏈標幺值的變化規(guī)律如圖8所示，其中磁鋼長度標幺值的基值為繞組軸向長度。采用仿真方法對不同磁鋼長度l與繞組系數(shù)之間的規(guī)律曲線進行仿真，典型仿真曲線圖如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著磁鋼長度的增加，繞組系數(shù)呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在某一個特殊位置出現(xiàn)繞組系數(shù)的最大值，當超過這個長度后，繞組系數(shù)會下滑，也就是說，當磁鋼長度超過某個長度后，相同繞組的情況下，隨著磁鋼長度的增加(不超過繞組長度)，磁鋼的利用率開始降低；同時電機的磁鏈增加也不會很明顯，甚至開始下降。因此，在永磁體長度選擇時應結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量和機電時間常數(shù)要求，利用最佳點原則，即磁鋼長度選擇在繞組系數(shù)最大值附近原則，進行產(chǎn)品設計。

圖7 單個菱形線圈示意圖

圖8 電機繞組系數(shù)變化規(guī)律

結(jié)合產(chǎn)品極槽配合不同方案對繞組系數(shù)進行了仿真計算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同極槽(虛擬槽)配合繞組系數(shù)最大值與k

從表1中可以看到，不同極槽配合最大繞組系數(shù)相差不多，磁鋼長度與繞組長度的比值k卻有很大不同。因此，在產(chǎn)品設計過程中如何進行參數(shù)最優(yōu)化設計，應結(jié)合產(chǎn)品性能、尺寸要求，開展參數(shù)設計。當產(chǎn)品外徑尺寸小時，空間小，繞線杯尺寸相應較小，若電機槽數(shù)較多，則圖7中a的尺寸會較小，由于繞線杯采用多層形式，尺寸較難控制；若電機槽數(shù)較少，則a尺寸會較大，在繞線杯整形時較難固定；同時，由于杯子較大，若電機極數(shù)較少則跨距較大，杯子走線較長，對于設計和工藝性都不利，所以相同情況下，優(yōu)先選用多極電機。

3 實用案例

結(jié)合以上空心繞線杯設計，進行了一款菱形空心杯電樞無刷直流電動機繞線杯設計、電磁設計、結(jié)構(gòu)設計及樣機制作。

3.1 產(chǎn)品實現(xiàn)

繞線杯、定子繞線杯、空心繞線杯實物如圖9所示。

(a) 繞線杯

3.2 數(shù)據(jù)對比

樣機性能對比如表2所示。

表2 樣機性能對比

樣機性能測試結(jié)果表明，本文的菱形繞線杯繞組結(jié)構(gòu)設計及繞組系數(shù)設計是合理可行的，菱形繞線杯繞制、整形、固定方式對提高繞線杯工藝性起到了推動作用。

4 結(jié) 語

本文分析了空心杯無刷電機繞組不同結(jié)構(gòu)形式繞制方法，給出了影響繞線杯設計的關鍵參數(shù)，重點分析了菱形繞線杯的結(jié)構(gòu)形式及繞組參數(shù)設計方法，通過菱形繞線杯產(chǎn)品試制，驗證了菱形繞線杯無刷電機的設計方法和加工方法是合理、可行的，菱形繞線杯繞制、整形、固定方式對提高繞線杯工藝性起到了推動作用，具有重要的工程應用價值。