新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)與特性分析

摘" 要： 傳統(tǒng)直流無(wú)刷電機(jī)齒槽分布受限導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)波動(dòng)，會(huì)造成轉(zhuǎn)矩輸出波動(dòng)較大，故需要同步匹配設(shè)計(jì)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與控制算法。為此，提出一種新型的三定子直流無(wú)刷電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過等效磁路法計(jì)算出三定子直流無(wú)刷電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計(jì)了三定子直流無(wú)刷電機(jī)的繞線方式和換向邏輯，驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單。基于Ansoft maxwell仿真軟件，建立了電機(jī)有限元模型，仿真分析了電機(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)分布、氣隙面域磁密分布和空載反電動(dòng)勢(shì)等。得到了三定子直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性：其轉(zhuǎn)矩峰值可達(dá)8.5 N·m；電感特性：其三相繞組間磁場(chǎng)相互解耦，互感為0，自感平均值為4.5 mH；效率與損耗特性：不計(jì)機(jī)械損耗的情況下電機(jī)理想效率可達(dá)92%。研制了試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果表明：三定子結(jié)構(gòu)電機(jī)磁通密度高，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩峰值較單定子電機(jī)提升了42%；輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，較單定子電機(jī)波動(dòng)降低了30%。在額定轉(zhuǎn)矩為7.5 N·m的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膯?dòng)到500 r/min的響應(yīng)時(shí)間僅為0.8 s；從500～1 000 r/min的響應(yīng)時(shí)間僅為1.5 s；從1 000～1 500 r/min的響應(yīng)時(shí)間僅為2.1 s。

關(guān)鍵詞： 三定子直流無(wú)刷電機(jī)； 等效磁路法； 靜態(tài)磁場(chǎng)； 氣隙磁密； 空載反電動(dòng)勢(shì)； 有限元分析

中圖分類號(hào)： TN402?34； TM301.4" " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）16?0076?09

Design and characteristic analysis of new three?stator DC brushless motor

XIANG Wenle1， XIANG Qingqing2， LI Zhen3， LIU Zhiqiang2

（1. School of International Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China;

2. College of Excellent Engineers， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China;

3. College of Automotive and Mechanical Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China）

Abstract： The limited slot distribution in traditional brushless DC motors leads to fluctuations in the air gap magnetic field， resulting in significant torque output fluctuations. It is necessary to design complex drive control systems and control algorithms by synchronous matching. Therefore， a new topology structure of the three?stator DC brushless motor is proposed. Based on the equivalent magnetic circuit method， the main structure size of the three?stator DC brushless motor is calculated. The winding mode and reversing logic of the three?stator DC brushless motor are designed. Based on Ansoft maxwell simulation software， the finite element model of the motor is established， and the simulation analysis of the static magnetic field distribution， magnetic density distribution in the air gap area and no?load back electromotive force of the motor are conducted， so as to obtain the torque characteristics of the three?stator DC brushless motor： the peak torque can reach 8.5 N·m; the inductance characteristics： the magnetic field between the three?phase winding was decoupled， the mutual inductance is 0， and the average self?inductance is 4.5 mH; and the efficiency and loss characteristics： The ideal efficiency of the motor can reach 92% without mechanical loss. The testing prototype is developed and verified. The finite element analysis and testing results show that the three?stator motor has high magnetic flux density， large output torque， and the peak torque is increased by 42% compared with the single?stator motor. The output torque fluctuation is small， which is 30% lower than that of single?stator motor. Under the condition of rated torque 7.5 N·m， the response time of motor speed from start to 500 r/min is 0.8 s， the response time from 500 r/min to 1 000 r/min is 1.5 s， and the response time from 1 000 r/min to 1 500 r/min is 2.1 s.

Keywords： three?stator DC brushless motor; equivalent magnetic circuit method; static magnetic field; air gap magnetic density; empty back electromotive force; finite element analysis

0" 引" 言

直流無(wú)刷電機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于各行各業(yè)的產(chǎn)品中。然而，傳統(tǒng)直流無(wú)刷電機(jī)因定子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致齒槽分布受限，致使三相集中繞組通電后產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)在空間和時(shí)間兩個(gè)維度上波動(dòng)較大；且其三相繞組間存在互感，使繞組電流滯后電壓存在一定電角度，最終導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。為解決上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出雙凸極、雙定子和混合永磁體的電機(jī)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[1]分析了不同繞組對(duì)雙凸極電機(jī)發(fā)電性能的影響，單層繞組雙凸極電機(jī)的輸出能力更強(qiáng)，而雙層繞組的抗過載能力更強(qiáng)。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于矢量控制來(lái)抑制雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，這是對(duì)于雙凸極電機(jī)控制策略方面的研究，在電機(jī)結(jié)構(gòu)上無(wú)太大的創(chuàng)新。文獻(xiàn)[3?5]從電機(jī)永磁體材料組成的角度出發(fā)，研究了鐵氧體、釹鐵硼混合永磁體電機(jī)。文獻(xiàn)[6?9]采用雙定子（即內(nèi)、外定子結(jié)構(gòu)）來(lái)增強(qiáng)電機(jī)的磁通特性，但增加了調(diào)磁繞組，使電機(jī)繞組的繞線方式更為復(fù)雜。

本文提出一種新型三定子的直流無(wú)刷電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)有別于雙凸極、雙定子、混合永磁體結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其特殊的定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從理論上可巧妙地解決定子齒槽數(shù)量少、跨距大，從而導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩凸顯、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大的問題，且無(wú)需專用設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制器及使用復(fù)雜控制算法。

1" 新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)額定功率為1 200 W，額定電壓為48 V，額定電流為20 A。

1.1" 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算

圖1所示為新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)，圖2為定子齒型結(jié)構(gòu)。定子1、定子2、定子3均有10個(gè)齒槽，每個(gè)定子齒槽均勻錯(cuò)開12°，即120°電角度，三定子間隔10 mm同軸排列，中間安裝隔磁板，每個(gè)定子齒槽上繞制一相繞組。

電機(jī)主要尺寸計(jì)算公式如下：

[D2aLanP'=6.1×106αiKωK?ABδ] （1）

式中：[Da]為定子內(nèi)徑（單位為mm）；[La]為定子鐵心軸向有效長(zhǎng)度（單位為mm）；[P']為電機(jī)計(jì)算功率（單位為W）；[αi]為定子的極弧系數(shù)，一般取0.7～0.9；[Kω]為電機(jī)繞組系數(shù)，取0.93左右；[K?]為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)，一般取1.1；[A]為電負(fù)荷，取10～15 A/mm；[Bδ]為氣隙磁密，一般取0.8～0.9 T。

經(jīng)計(jì)算，定子鐵心內(nèi)徑[Da]=90 mm，單個(gè)定子鐵心軸向有效長(zhǎng)度[La]=40 mm。

電樞繞組繞制于定子齒上，繞組設(shè)計(jì)還受額定電流、線圈匝數(shù)、槽滿率、導(dǎo)線的截面積及電流密度等影響。

繞組匝數(shù)N計(jì)算公式如下：

[N=σ0E02πfpK?Bmτpl] （2）

繞組銅線線徑[d]計(jì)算公式如下：

[d=4IJπ] （3）

式中：[σ0]為空載漏磁系數(shù)；[E0]為空載感應(yīng)電勢(shì)；[f]為頻率；[p]為極數(shù)；[Bm]為永磁體的空載磁通密度；[I]為電機(jī)額定電流；J為電流密度。

永磁體的尺寸計(jì)算公式如下：

[hm=μrBrBδ-1δi] （4）

[bm=αpτ] （5）

式中：[μr]為相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率；[hm]為永磁體磁化方向厚度；[bm]為永磁體寬度；[Br]為永磁體剩磁；[Bδ]為氣隙磁密，[BrBδ]比值一般取1.1～1.35；[δi]為電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度；[τ]為電機(jī)的轉(zhuǎn)子極矩；[αp]為轉(zhuǎn)子的極弧系數(shù)，取0.8。

1.2" 繞組設(shè)計(jì)及換向邏輯

電機(jī)采用六步驅(qū)動(dòng)的控制方法，即采用三相Y型繞組連接。根據(jù)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，后一相繞組的反電動(dòng)勢(shì)滯后于前一相繞組反電動(dòng)勢(shì)120°電角度。由于每個(gè)定子10個(gè)齒槽等于級(jí)數(shù)，因此每單獨(dú)一定子一齒槽對(duì)應(yīng)永磁體一極。單獨(dú)一定子相鄰齒槽串聯(lián)繞制相反方向的一相繞組。圖3所示為三相繞組展開圖，A、C、B三相繞組分別繞制在第一個(gè)、第二個(gè)、第三個(gè)定子上，且相鄰線圈繞線方向相反。

表1為三相全波六步驅(qū)動(dòng)方式換相真值表。在一個(gè)電周期內(nèi)，三相繞組有6組通電狀態(tài)：AB、AC、BC、BA、CA、CB。3個(gè)霍爾傳感器的任務(wù)是轉(zhuǎn)子磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)電周期內(nèi)檢測(cè)到6個(gè)換相點(diǎn)[10]。每個(gè)霍爾電路輸出時(shí)間占比相同，均為180°電角度，在一對(duì)磁極下即一個(gè)電周期內(nèi)，3個(gè)霍爾位置傳感器需均勻布置，即之間的相位差為120°。按照真值表中3個(gè)霍爾傳感器輸出高電平和低電平的不同組合時(shí)刻來(lái)決定6個(gè)換相點(diǎn)。例如：霍爾電路輸出HA的高電平時(shí)，A相開始通正電流，C相結(jié)束通正電流；輸出HA的低電平時(shí)，C相通負(fù)電流變成A相通負(fù)電流。由真值表可知上下橋臂通斷狀態(tài)與霍爾位置傳感器信號(hào)的邏輯關(guān)系。

2" 新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)的建模與仿真

2.1" 電機(jī)模型

電機(jī)結(jié)構(gòu)和主要尺寸參數(shù)如表2所示。本文利用Ansoft maxwell有限元分析軟件建立了三定子直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。然后對(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后根據(jù)電機(jī)性能要求進(jìn)行參數(shù)化求解。

利用Ansoft maxwell搭建電機(jī)外部驅(qū)動(dòng)電路與有限元模型耦合，來(lái)模擬電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)過程，包括電源、開關(guān)組件、繞組、電阻電感等元件。電機(jī)采用三相全橋式電路控制，四對(duì)功率開關(guān)管對(duì)電機(jī)三相繞組中的兩相導(dǎo)通提供電壓進(jìn)行控制，使每相導(dǎo)通時(shí)間間隔120°電角度，一個(gè)電周期內(nèi)完成6次換向，即六步控制。圖5為電機(jī)控制電路圖。

2.2" 靜態(tài)磁場(chǎng)分析

新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)永磁體采用內(nèi)嵌式，相鄰的矩形永磁體單元徑向交替充磁，因此轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的永磁磁通穿過氣隙，進(jìn)入定子齒鐵心，在繞組中產(chǎn)生有效磁鏈，再?gòu)南噜彾ㄗ育X鐵心出來(lái)，再次反向穿過氣隙回到相鄰反向充磁的永磁體中。圖6所示為二維磁場(chǎng)磁力線分布。

在分析求解模型時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置為永磁體中軸線與第一定子兩齒中心線相重合的位置，即電角度[θ]為0°時(shí)刻位置。圖7給出了三定子電機(jī)在運(yùn)行中不同時(shí)刻的空載磁密云分布（左）及磁密矢量（右）。

在轉(zhuǎn)子位于電角度[θ]為0°位置時(shí)刻，永磁體處于第一定子兩齒正中間，永磁磁通幾乎不進(jìn)入第一定子齒鐵心內(nèi)，磁通幾乎為0；而永磁體位置更加靠近第二、第三定子齒，永磁磁通大量進(jìn)入到定子鐵心中，其定子齒部磁通密度達(dá)到1.7 T左右。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到電角度[θ]為120°位置時(shí)刻，永磁磁通幾乎不進(jìn)入第二定子齒鐵心內(nèi)，磁通幾乎為0；而永磁磁通大量進(jìn)入到第一、第三定子齒鐵心中。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到電角度[θ]為240°位置時(shí)刻，永磁磁通幾乎不進(jìn)入第二定子齒鐵心內(nèi)，磁通幾乎為0；磁通大量進(jìn)入第一、第三定子齒鐵心內(nèi)。通過分析發(fā)現(xiàn)，定子齒部鐵心磁通隨轉(zhuǎn)子位置發(fā)生周期性變化，各定子齒鐵心磁通變化相差120°電角度，因此電機(jī)繞組將產(chǎn)生周期性的正弦感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且分別繞制在第一、第二、第三定子齒上的集中繞組，產(chǎn)生相位差為120°電角度的正弦感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2.3" 氣隙面域磁密分析

氣隙區(qū)域磁通量是電機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)[11]。利用軟件參數(shù)掃描功能對(duì)電機(jī)軸向長(zhǎng)度進(jìn)行掃描，得到的氣隙面域磁密狀況分布如圖8所示。

從圖8可以看出，氣隙磁密在圓周切向軸線上呈正弦周期性分布，在定子軸線徑向上的磁密分布呈三段，正好對(duì)應(yīng)三個(gè)定子，且三段磁密的周期性分布相差120°電角度。氣隙面域的磁密平均達(dá)到0.5 T左右，其峰值達(dá)到0.9 T，磁密分布存在少許部位的畸變，但整體分布狀態(tài)正常。

2.4" 空載反電動(dòng)勢(shì)分析

在電機(jī)運(yùn)行過程中，必然在繞組中發(fā)生自感與互感現(xiàn)象，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而影響直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力。為獲得電機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩，必須使電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與電樞繞組電流同相位。

圖9所示為電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速為1 500[ r/min]時(shí)的繞組空載磁鏈和空載反電動(dòng)勢(shì)波形。

從圖9波形中可看出，空載磁鏈波形與空載反電動(dòng)勢(shì)波形正弦度較高，其中磁鏈幅值達(dá)到0.7 Wb，反電動(dòng)勢(shì)峰值達(dá)到60 V。但由于定子齒槽存在一定的邊緣效應(yīng)，致使反電動(dòng)勢(shì)波形出現(xiàn)一定畸變，可能存在少量的低次諧波。

2.5" 轉(zhuǎn)矩特性分析

三定子電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：

[TemA=E0I0?-E0I0?cos2θ] （6）

[TemB=E0I0?-E0I0?cos2θ-120°] （7）

[TemC=E0I0?-E0I0?cos2θ+120°] （8）

單定子產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，第一部分為恒定分量，第二部分是頻率為2倍于繞組交流電頻率的正弦脈動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。兩部分相疊加后為2倍電周期、幅值2倍于恒定分量的正弦波形。

三定子所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩合成后，總電磁轉(zhuǎn)矩為：

[Tem=TemA+TemB+TemC=3E0I0?] （9）

由式（9）可以看出，合成后電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值。

通過有限元分析軟件，對(duì)分別繞制在三個(gè)定子齒上的集中繞組通入額定的三相交流電流，其相位差為120°電角度，頻率為額定轉(zhuǎn)速下電流切換頻率。對(duì)三定子電機(jī)和單定子電機(jī)進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比分析，得到如圖10所示的電磁轉(zhuǎn)矩波形。

三定子電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩峰值達(dá)到8.5 N·m，平均值為7.[5] N·m，但由于反電動(dòng)勢(shì)內(nèi)諧波的存在，造成轉(zhuǎn)矩輕微波動(dòng)，其波動(dòng)幅值為3 N·m，較單定子電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩峰值4.9 N·m提升了42%；較單定子電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值4.3 N·m降低了30%。

當(dāng)通入三相電流為不同有效值的正弦電流時(shí)，電機(jī)將對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同的平均電磁轉(zhuǎn)矩，如圖11所示。當(dāng)通入電流有效值越小，其電磁轉(zhuǎn)矩也越??；當(dāng)通入過載大于額定電流有效值20 A后，電磁轉(zhuǎn)矩最高可達(dá)到9.5 N·m，但是電磁轉(zhuǎn)矩上升幅度越來(lái)越緩，說(shuō)明電機(jī)鐵心磁密開始飽和。

2.6" 缺相運(yùn)行特性分析

新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)三個(gè)定子之間相互獨(dú)立，各相間磁場(chǎng)相互解耦，如其中一相繞組出現(xiàn)電路故障，其他兩相仍然可正常運(yùn)行。圖12為缺相三相電流波形及電磁轉(zhuǎn)矩波形，是在有限元軟件仿真中模擬電機(jī)運(yùn)行10 ms時(shí)C相出現(xiàn)故障，只靠A、B兩相產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仿真結(jié)果表明，電機(jī)在對(duì)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性要求不是極高的環(huán)境下，具備缺相運(yùn)行能力，這說(shuō)明新型三定子電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制可靠性較高。

由圖12a）可看出，三相電流繞組中C相繞組在10 ms處故障斷電，C相繞組電流歸零，因此C相繞組定子部分將停止產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。但由于三電子繞組之間電磁場(chǎng)解耦獨(dú)立，A、B相電流及所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩依舊正常。如圖12b）所示，電機(jī)的三定子電磁轉(zhuǎn)矩在10 ms時(shí)發(fā)生變化，電磁轉(zhuǎn)矩平均值由7 N·m下降到5 N·m左右，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較未缺相時(shí)明顯，但仍能保持電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力。由此可知，新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)在缺相后，仍可較為穩(wěn)定地輸出電磁轉(zhuǎn)矩，在對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要求不高的工況下，具備容錯(cuò)運(yùn)行能力。

2.7" 電機(jī)功率及效率分析

圖13為有限元軟件分析得到的三相繞組自感與互感波形圖。從圖中可看出，電機(jī)的三相互感幾乎為零，這驗(yàn)證了三定子電機(jī)三相電磁獨(dú)立解耦性。三相繞組自感平均值為4.5 mH，具有幅值較小的正弦特性，從而反映了電機(jī)在運(yùn)行過程中具有較為穩(wěn)定的功率因數(shù)。

電機(jī)功率因數(shù)為電機(jī)繞組有功電流與總電流的比值，是衡量電機(jī)設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)之一。功率因數(shù)可由如下簡(jiǎn)化公式計(jì)算：

[cosφ=11+LsIψm] （10）

式中：[cosφ]為功率因數(shù)；[ψm]為永磁磁鏈；[I]為電流有效值；[Ls]為電機(jī)同步電感?？煽闯鲭姍C(jī)功率因數(shù)大小取決于[LsIψm]的大小，因此要提高電機(jī)功率因數(shù)，需減小電感值或電流有效值，但更佳的做法是減小電機(jī)電感，從而提高電機(jī)功率因數(shù)。對(duì)于本文所研究的電機(jī)，其只需考慮繞組自感，互感幾乎為0，且單相自感僅為4.5 mH?；诠剑?0）可計(jì)算出功率因數(shù)為0.79，驗(yàn)證了三定子電機(jī)具有較高質(zhì)量運(yùn)行能力。

電機(jī)的損耗直接影響電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率，在電機(jī)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程中，電機(jī)不可避免地產(chǎn)生損耗，包括鐵損、銅損、機(jī)械摩擦損耗等[12]。

圖14為電機(jī)銅損和鐵損曲線。在額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和額定轉(zhuǎn)矩為7.5 N·m的情況下，采用有限元軟件進(jìn)行瞬態(tài)求解，若不計(jì)機(jī)械損耗，電機(jī)理想效率可達(dá)92%。

3" 電機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)分析

3.1" 電機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)

圖15和圖16分別為電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架和電機(jī)樣機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)架包含一臺(tái)三相交流陪測(cè)電機(jī)、被測(cè)電機(jī)（三定子電機(jī)樣機(jī)）、一個(gè)高精度轉(zhuǎn)矩傳感器、一臺(tái)三相功率計(jì)、一臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、陪測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。陪測(cè)電機(jī)的作用是以同步速度向被測(cè)電機(jī)施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩區(qū)間與被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間有較寬的重合度，陪測(cè)電機(jī)額定功率為1 100 W，額定轉(zhuǎn)矩為9 N·m。轉(zhuǎn)矩傳感器量程范圍為0～10 N·m。

對(duì)新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)樣機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性、變速轉(zhuǎn)矩特性、變載轉(zhuǎn)矩特性等進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

圖17為陪測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為樣機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min狀態(tài)下，上位機(jī)軟件所測(cè)得的樣機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形。其波形呈正弦波且三相對(duì)稱，單相反電動(dòng)勢(shì)峰值為55 V，與有限元軟件計(jì)算得到的峰值60 V相比有小幅度降低，這可能是由于電機(jī)加工或裝配工藝水平有限，造成了少量磁漏。但波形形態(tài)、相位差均與上文分析結(jié)果一致，這也驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。

圖18為施加額定負(fù)載、額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩曲線及輸入電流波形。從圖中波形可以看出，三相電流波形峰值達(dá)28 A，其有效值大約為22 A，高于額定電流20 A。但由于在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中存在機(jī)械摩擦損耗和其他損耗，在上文有限元軟件計(jì)算過程中并未考慮，因此電機(jī)為克服高于額定負(fù)載以外的損耗，控制系統(tǒng)必須加載更高的輸入電流幅值。轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定在7.5 N·m上下，幅度波動(dòng)極小，表明電機(jī)具有穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩輸出能力。

圖19為額定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下電流有效值與輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)系的樣機(jī)試驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果對(duì)比。從圖中可看出，有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有著較高的一致性，但在同樣有效值大小的電流下，試驗(yàn)輸出轉(zhuǎn)矩略低于有限元仿真結(jié)果。造成這種現(xiàn)象的原因也同樣是電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中還需克服其他損耗，且受加工工藝水平限制，存在漏磁，影響電機(jī)性能。

3.2" 電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性分析

圖20為在施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3 N·m、5 N·m和7.5 N·m時(shí)變速響應(yīng)特性。試驗(yàn)過程為：給定500 r/min轉(zhuǎn)速啟動(dòng)電機(jī)，待電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500 r/min后，給定轉(zhuǎn)速提升至1 000 r/min，待電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再次提升至1 500 r/min。由圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3 N·m時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由0 r/min提升到500 r/min的響應(yīng)時(shí)間為0.4 s，由500 r/min提升到1 000 r/min的響應(yīng)時(shí)間為0.8 s，由1 000 r/min提升到1 500 r/min的響應(yīng)時(shí)間為1.2 s；每次轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有一個(gè)突增，以提升轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)矩每次突增量為4.5 N·m左右。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5 N·m時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由0 r/min提升到500 r/min的響應(yīng)時(shí)間為0.6 s，由500 r/min提升到1 000 r/min的響應(yīng)時(shí)間為1.2 s，由1 000 r/min提升到1 500 r/min的響應(yīng)時(shí)間為1.7 s；每次轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有一個(gè)突增，以提升轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)矩每次突增量為2.5 N·m左右。

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為7.5 N·m時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由0 r/min提升到500 r/min的響應(yīng)時(shí)間為0.8 s，由500 r/min提升到1 000 r/min的響應(yīng)時(shí)間為1.5 s，由1 000 r/min提升到1 500 r/min的響應(yīng)時(shí)間為2.1 s；每次轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有一個(gè)突增，以提升轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)矩每次突增量為2 N·m左右。

從三組不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的變速試驗(yàn)可看出：隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，電機(jī)沒有足夠的輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)提供給轉(zhuǎn)速的突增，因此提速時(shí)間也隨之增長(zhǎng)；隨著轉(zhuǎn)速的增加，其提速時(shí)間也同樣有所增加，但其轉(zhuǎn)速最終能夠回歸給定轉(zhuǎn)速值且保持穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩在突變后也能快速地回歸穩(wěn)定，證明電機(jī)具有良好的調(diào)速特性。

圖21為變載響應(yīng)特性圖，電機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，突然兩次增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩。從圖中可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩負(fù)載從3 N·m突然增加至5 N·m后，轉(zhuǎn)速突然下降至1 400 r/min，隨后轉(zhuǎn)速較快地恢復(fù)至1 500 r/min并維持穩(wěn)定；當(dāng)轉(zhuǎn)矩負(fù)載從5 N·m突然增加至7.5 N·m時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降至1 350 r/min左右，隨后電機(jī)轉(zhuǎn)速慢慢地回歸至1 500 r/min并保持穩(wěn)定。變載試驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)具有良好的變載響應(yīng)能力，但轉(zhuǎn)矩負(fù)載突變至較大值時(shí)，其轉(zhuǎn)速回歸時(shí)間較慢，最終轉(zhuǎn)矩能較好地在給定轉(zhuǎn)速下維持穩(wěn)定。

4" 結(jié)" 論

本文提出了一種新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)兼容性好、輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、調(diào)速性能好、空間緊湊等特點(diǎn)。通過有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論。

1） 提出的新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)三相繞組間相互獨(dú)立且解耦，可實(shí)現(xiàn)缺相運(yùn)行，即某相繞組出現(xiàn)故障，停止輸出電磁轉(zhuǎn)矩，另外兩相仍可正常產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，提高了電機(jī)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要求不高的工況下的容錯(cuò)運(yùn)行能力。

2） 新型三定子直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩峰值可達(dá)8.5 N·m，較單定子電機(jī)提升了42%；輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，較單定子電機(jī)波動(dòng)降低了30%。在額定轉(zhuǎn)矩7.5 N·m的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膯?dòng)到500[ r/min]的響應(yīng)時(shí)間為0.8 s；從500～1 000[ r/min]的響應(yīng)時(shí)間為1.5 s；從1 000～1 500[ r/min]的響應(yīng)時(shí)間為2.1 s。

3） 研制了三定子樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了理論分析和所提出的三定子直流無(wú)刷電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)。

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