一種無刷電機繞組線徑的計算方法

郭建兵，孫亮亮，黃細冬

（ 浙江三鋒實業(yè)股份有限公司，浙江 永康 321300 ）

0 引言

永磁直流無刷電機因其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。隨著科技水平逐年提高，中小型無刷電機采用全自動多軸定子繞線機，分數(shù)槽集中繞組基本替代了半自動飛叉式單線圈或多線圈繞線機預(yù)成型線圈、人工或機器嵌線的生產(chǎn)工藝[1-2]。本文從分數(shù)槽集中繞組特有結(jié)構(gòu)出發(fā)，基于針式繞線機工藝，提出了一種繞組線徑分層計算方法，利用Excel計算驗證。

1 概述

分數(shù)槽集中繞組相對于大節(jié)距繞組具有線圈端部矮、銅損小的特點，尤其在機械特性、效率、生產(chǎn)工藝性、相間絕緣性等方面具有優(yōu)勢。除特種電機外，大部分無刷電機均可采用分數(shù)槽集中繞組，其線徑通過槽滿率估算[3]。

2 結(jié)構(gòu)

典型的分數(shù)槽集中繞組定子單元齒結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包含定子鐵心、槽絕緣及漆包線。

圖1 定子單元齒結(jié)構(gòu)

2.1 分層排線原理

1）第一層排線，如圖2所示

圖2 第一層排線

圖2中，A為漆包線起始圓心，B為終止圓心，第一層從A向B排線。起始漆包線圓心位于C1上，匝與匝相切排線，直至B位于C2上方或置于C2上，否則壓迫槽絕緣影響定子裝配。

2）第二層排線，如圖3所示

圖3 第二層排線

為了得到穩(wěn)固的繞組，層與層之間采用“疊壓”結(jié)構(gòu)。為減少漆包線交叉的可能，排線由B排向A，且B相對第一層的終止點向上縮減至少半個漆包線直徑。同時B外圓應(yīng)在Lt(線嘴避空曲線)上方或與Lt相切，排線間距為漆包線直徑，A應(yīng)位于C1曲線上或C1下方。

3）第三層排線，如圖4所示

圖4 第三層排線

第三層由A排向B。如A點相對第二層終止點向上偏移半個漆包線直徑，若仍位于C1曲線上或在C1下方則向上偏移半個漆包線直徑；否則向下偏移半個漆包線直徑。

4）第N層排線

采用與第二、三層相同的限制條件繼續(xù)多層繞線，直至排線起點漆包線與Lt相交或C1相交，奇數(shù)層排線由A排向B，偶數(shù)層由B排向A。

2.2 特征尺寸參數(shù)化

按照分層排線的基本原理，以圖1中的定子槽型為例將相關(guān)尺寸參數(shù)化。Lt為槽口中心線的偏移曲線，避免線嘴傷線的限制曲線；Lw為與定子齒中心線平行的排線中心線；C1為與槽絕緣同心的上極限漆包線圓心曲線；C2為與槽絕緣同心的下極限漆包線圓心曲線。軛部內(nèi)徑Do、齒部內(nèi)徑Di、齒寬Tw、漆包線直徑Dw、槽絕緣厚度Tins、漆包線與槽中心間隙Wt、匝數(shù)T。排線起點為A，終點為B，定子槽數(shù)為N，如圖5所示。

圖5 參數(shù)示意

1）第一層排線匝數(shù)T1

2）第二層排線匝數(shù)T2

計算排線起點B的Y軸坐標，根據(jù)分層排線原理，第二層排線的起點從第一層排線的終點至少向上縮減半個漆包線直徑，先假設(shè)向上縮減半個漆包線直徑取Y坐標By’，與Lw進行相切判斷求取實際的By。(Ay)1為第1層排線起點。

圖6 層間間距

3）第三層排線匝數(shù)

采用與第二層終點相同的計算方法確定A點坐標；按起點計算方法求出B點坐標。

4）極限層數(shù)N

通過C1與Ltp的交點求出極限圓的X軸坐標，即可求出極限層數(shù)NL。如圖7所示。

圖7 極限層數(shù)

Ltp斜率 =KLt= tan(90-α)，Ltp的直線方程

3 方程與建模

按照計算公式在Excel建立方程，輸入Dw=1.17，Excel方程中1～5層排線數(shù)分別為：10，9，8，5，1，如圖8所示。CAD中使用同樣的參數(shù)建模，每層的排線數(shù)量與Excel中計算的相同，如圖9所示，證明計算方法的準確性。

圖8 Excel公式

圖9 CAD排布

依據(jù)理論公式及在CAD中建模，26匝的極限線徑為1.2 mm。在實際生產(chǎn)過程中，由于繞線機排線時必有交叉，實際線徑為1.12 mm。如圖10所示，實際結(jié)果為計算值的93.3%，實際偏差隨著線徑的變小而增大。線徑越細，層數(shù)越多，繞線機層間交叉的概率也越大，計算誤差一般不低于90%。

圖10 實際產(chǎn)品

4 結(jié)語

根據(jù)集中繞組特有的繞線方式提出分層排線的計算方法，對計算步驟進行了詳細分析，在Excel中建立方程式，與CAD中建模對比，證明了計算方法的準確性。計算方法對集中繞組無刷電機的設(shè)計及繞組電阻的計算具有一定的借鑒意義，同時也對制造車間的實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。