無槽無刷直流電機設(shè)計

關(guān)麗雅，李耀國，宋 桀，梁 赫

(1.北京青云航空儀表有限公司，北京 101300；2.空軍裝備部駐北京地區(qū)第五軍事代表室，北京 101300)

無槽無刷直流電機(以下簡稱無槽電機)與傳統(tǒng)齒槽電機基本結(jié)構(gòu)和工作原理相同，但定子鐵芯和線圈結(jié)構(gòu)不同。無槽電機定子鐵芯無齒槽，定子三相線圈用漆包線制作成杯形結(jié)構(gòu)，粘貼于定子鐵心表面，屬于自支撐的線圈結(jié)構(gòu)，稱“無槽線圈”。無槽電機這種結(jié)構(gòu)降低了定子鐵芯中的鐵耗，提高了電機的效率。而且無槽電機的輸出特性為線性，使其控制簡單，可實現(xiàn)高精度控制。同時無槽電機的反電動勢波形設(shè)計為準(zhǔn)正弦波，它與方波型直流電機相比，具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動，而且因鐵芯無齒槽，消除了齒槽效應(yīng)，使控制更為平穩(wěn)。無槽電機還具有電氣時間常數(shù)小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，具有齒槽電機無可比擬的優(yōu)越特性，備受市場關(guān)注，在軍事、航空航天、醫(yī)療器械、機器人技術(shù)、半導(dǎo)體設(shè)備及汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

國外無槽電機研制歷史較長、技術(shù)先進，產(chǎn)品市場占有率較高[1-3]。我國由于起步較晚，無槽電機研發(fā)制造技術(shù)遠遠落后。目前國產(chǎn)無槽電機大多為幾瓦到幾十瓦的小功率無槽電機，而且技術(shù)水平較低、效率低、成本高、性能差。因此，在一些高精尖機電系統(tǒng)中，一直依賴于進口國外無槽電機。

針對上述情況,北京青云航空儀表有限公司開展專項攻關(guān)，該項目研制的無槽電機輸出功率超100 W，功率密度大，國內(nèi)尚無研制成功的報道。目前研制工作已經(jīng)取得了一定成果，完成了樣機的制作與性能測試。結(jié)果表明，電機性能優(yōu)越，在同等測試條件下，功率密度和效率遠高于其他國產(chǎn)同規(guī)格電機，同時也高于國外同規(guī)格無槽電機。

該項目無槽電機的研制成功為國產(chǎn)無槽電機的研制提供了參考和依據(jù)，并且對提高國內(nèi)機電產(chǎn)品的技術(shù)競爭力具有積極意義，同時相關(guān)研究工作填補了大功率國產(chǎn)無槽電機的空白，具有重大意義。

1 無槽電機的設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

無槽電機包括電機本體、編碼器和減速器。無槽電機多為高速電機，實際應(yīng)用中需要配以合適的減速器，使電機的輸出特性滿足系統(tǒng)需要，配套的減速器為兩級精密行星齒輪減速器；編碼器為磁阻式編碼器。無槽電機結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

無槽電機本體由定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，定子組件由殼體、定子鐵芯和無槽線圈組成，轉(zhuǎn)子組件由轉(zhuǎn)子軸、永磁磁鋼和軸承組成。

1.2 技術(shù)要求

額定電壓為28 V，工作溫度范圍為-55～70 ℃，電機磁極對數(shù)為1對極；減速器輸出軸輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足機電產(chǎn)品系統(tǒng)的要求。

1.3 主要參數(shù)的確定

電機的主要尺寸、電機功率與電磁負(fù)荷及轉(zhuǎn)速等參數(shù)之間滿足如下關(guān)系[4]：

(1)

(2)

式中，W1是每相串聯(lián)匝數(shù)；I1是每相電流，單位為A；a1是定子每相并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。

1.4 材料的確定

1.4.1 轉(zhuǎn)子磁極材料的確定

轉(zhuǎn)子永磁磁極材料常用的有釤鈷和釹鐵硼。釹鐵硼材料存在易被粉化和腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性差的缺點，一般需要在其表面上噴涂環(huán)氧樹脂材料來隔離外界空氣，也可作電泳或電鍍處理，應(yīng)用于苛刻環(huán)境時，常作表面鍍鎳處理[5-8]。但目前釹鐵硼鍍層存在可靠性差、壽命短等問題，大多應(yīng)用在民用領(lǐng)域，應(yīng)用于航空產(chǎn)品中可靠性無法保證。軍工產(chǎn)品上大多選用釤鈷合金材料，該材料環(huán)境適應(yīng)性與耐蝕性較好，不需要表面處理可應(yīng)用于鹽霧環(huán)境，能夠滿足航空產(chǎn)品的高可靠性要求。因此，該項目電機選用釤鈷合金作為永磁磁極材料。磁極的安裝常用表貼式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)制造和裝配工藝簡單[9-10]。但表貼工藝的磁極牢固性差，存在脫落風(fēng)險，應(yīng)在磁極外加保護套，本文采用該結(jié)構(gòu)。

1.4.2 定子鐵芯材料的確定

定子鐵芯作為導(dǎo)磁體，材料選用軟磁材料。軟磁材料的種類很多，可分為金屬、鐵氧體、非晶態(tài)和超微晶軟磁材料四大類。其中硅鋼片綜合性能較好，且硅鋼片價格較低。因此，定子鐵芯材料選用硅鋼。

2 無槽電機磁路仿真

2.1 建立幾何模型

根據(jù)式1和式2的計算結(jié)果建立仿真模型(見圖2)。

2.2 材料定義及網(wǎng)格劃分

按設(shè)計方案定義材料，定子鐵芯選取硅鋼，線圈材料選取銅金屬，轉(zhuǎn)子磁鋼選取釤鈷合金，轉(zhuǎn)子軸選取10鋼。材料定義完成后進行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的原則：氣隙和齒部較密，定子軛部和轉(zhuǎn)子部分較疏。劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。本文采用最大劃分單元長度為1 mm。

2.3 設(shè)定求解選項及運動面域

二維瞬態(tài)分析時應(yīng)設(shè)定運動選項，在模型窗口選中運動面域，進行運動類型、數(shù)據(jù)信息及機械信息等參數(shù)的設(shè)置，運動面域是模型中包含轉(zhuǎn)子的面。求解設(shè)置為終止時間為0.1 s，求解步長為0.000 2 s，場信息保存時間為0.1 s。設(shè)置完成后進行自檢，自檢后進行求解和后處理。

3 無槽電機仿真結(jié)果及分析

3.1 磁場分析

定子端添加激勵源為三相對稱電壓，額定電壓為28 V，利用瞬態(tài)求解器模擬電機不同時刻的磁場變化，得到電機的磁場瞬態(tài)分布情況，圖4所示為電機某一時刻的磁力線分布圖。圖4中顯示的是磁力線及等A線的A值大小，其單位是Wb/m，中部顯示的是磁力線在電機模型中的分布，紅色磁力線為正向極值，藍色磁力線為負(fù)向極值?？梢钥闯鲭姍C磁力線分布均勻，說明磁路設(shè)計合理。圖5所示為無槽電機的磁密云圖，圖5中左上角顯示的是磁密值大小，其中單位是T，可以看出，定子鐵芯磁密最大，接近1.19 T，未飽和，磁路設(shè)計合理。

3.2 工作特性

應(yīng)用計算結(jié)果對無槽電機進行仿真，再不斷調(diào)整電機參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化。仿真完成后，可以在有限元軟件中查看設(shè)計結(jié)果，得到電機的工作特性，該無槽電機額定工作點效率為90%，額定電流為1.29 A，滿足要求。

4 樣機實物性能測試

按照優(yōu)化設(shè)計方案制作出物理樣機(見圖6)。對樣機施加28 V直流電壓，由控制器控制電機轉(zhuǎn)速，用測功機為電機施加轉(zhuǎn)矩，進行性能測試。

測試時用專用工裝將電機本體裝夾在測功機上，減速器輸出軸與測功機加載臺輸出軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，對電機施加額定轉(zhuǎn)矩進行測試，得到測試結(jié)果。研制的無槽電機與不同生產(chǎn)廠家同規(guī)格電機的測試結(jié)果對比見表1。

表1 電機性能測試結(jié)果

可以看出，項目研制的無槽電機效率略高于國外同規(guī)格電機，功率密度與其相同；與其他兩款國產(chǎn)電機相比，效率和功率密度有著明顯優(yōu)勢。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)針對高端機電產(chǎn)品對無槽電機的需求，開展了無槽電機的研制工作，制作了樣機，并進行了性能測試。結(jié)果表明，無槽電機滿足技術(shù)要求，并且達到了國際先進水平。

2)電機的仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差較小，驗證了設(shè)計的可行性及有限元仿真方法的可靠性。

3)通過與不同廠家電機性能對比，表明該電機性能優(yōu)異；功率密度和效率不但遠高于國產(chǎn)同類電機，而且效率高于國外同規(guī)格電機。

4)無槽電機的研制成功填補了國產(chǎn)大功率無槽電機的空白，為國產(chǎn)無槽電機的研制提供了參考和依據(jù)。