大功率永磁無刷直流電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

范 軍

(湖北漢丹機電有限公司，湖北襄樊 441000)

0 引言

隨著電力電子器件、永磁材料、微機、新型控制理論和電機理論的發(fā)展，無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)的技術(shù)優(yōu)勢逐漸凸顯，近年來在各種驅(qū)動、伺服和控制領(lǐng)域得到了迅速推廣。大功率BLDCM在國外已經(jīng)成功應(yīng)用于對系統(tǒng)效率、可靠性要求較高的場合，在國內(nèi)，近年來也引起了廣泛興趣。大功率永磁BLDCM具有效率高、調(diào)速性能好、可靠性高、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異等優(yōu)點，但是大功率BLDCM轉(zhuǎn)子磁鋼磁性能很強，造成轉(zhuǎn)子入機座、軸承卸裝、注油儲油等工序生產(chǎn)難度很大，而且大功率電機的軸電流對軸承傷害大，對軸承的保護需要消除軸電流。該結(jié)構(gòu)獨特的設(shè)計之處是端蓋具有轉(zhuǎn)子入機座的導(dǎo)向孔，在軸承裝卸時轉(zhuǎn)子不會吸上定子鐵心;軸承座儲油系統(tǒng)單獨設(shè)計注油孔和出油孔，并采用兩道骨架油封密封;軸伸端有甩水環(huán)，后軸采用背靠背結(jié)構(gòu)角接觸軸承，便于臥式試驗，在后軸端設(shè)計炭刷消除軸電流。下面重點介紹端蓋、軸承座、后軸等結(jié)構(gòu)和原理，以及設(shè)計時需要注意的一些問題。

1 端蓋的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1是BLDCM的裝配圖。從圖1可以看出兩個端蓋分別安裝在電機機座的兩端，并用螺母固定，與普通端蓋不同之處如下:前后端蓋都有很長一段轉(zhuǎn)軸導(dǎo)向孔，轉(zhuǎn)軸入定子工序采用立式安裝方式，將定子固定在工作臺上，轉(zhuǎn)子軸伸端裝有長的導(dǎo)向套，當(dāng)導(dǎo)向套進入端蓋導(dǎo)向孔時，轉(zhuǎn)子就能豎直裝配，然后裝上后端蓋，后端蓋也有限位孔，取下導(dǎo)向套，定、轉(zhuǎn)子就不會吸在一起。

設(shè)計時應(yīng)注意:(1)端蓋導(dǎo)向孔與導(dǎo)向套之間尺寸應(yīng)小于定、轉(zhuǎn)子間氣隙尺寸;(2)轉(zhuǎn)軸限位與轉(zhuǎn)軸導(dǎo)向套一致;(3)導(dǎo)向套長度要能夠保證轉(zhuǎn)子鐵心全部入機座。

圖1 大功率BLDCM裝配圖

例如:定轉(zhuǎn)子氣隙3.5 mm，端蓋孔φ206 mm，轉(zhuǎn)軸該處尺寸φ205 mm，即轉(zhuǎn)軸只有1 mm的運動空間，小于氣隙尺寸。導(dǎo)向套外圓尺寸也應(yīng)設(shè)計為φ205 mm，從而達到導(dǎo)向限位作用。

2 軸承座的設(shè)計

以往常規(guī)設(shè)計軸承室在端蓋里，一旦軸承需要更換時，必須將轉(zhuǎn)子全部拉出，換好后再入定子鐵心，操作復(fù)雜，容易造成軸承損傷。該結(jié)構(gòu)軸承座獨立裝配，在戶外、現(xiàn)場維護施工效果明顯，不需要拉出轉(zhuǎn)子，即可更換軸承，大大提高了設(shè)備維護的質(zhì)量和效率。

大功率BLDCM在運行一段時間后，要達到不需要拆卸即可重新加入潤滑脂，并將舊脂排出的要求。根據(jù)《電機軸承使用手冊》的要求，首次運行前，要用煤油、汽油清洗軸承，清洗液排空后再注入新油;靠油室潤滑的滑動軸承，在運轉(zhuǎn)8 000～10 000 h后，需重新清理注油。

圖2為軸承座結(jié)構(gòu)。加入潤滑脂時，用油槍從圖2中的注油管打入，能夠?qū)櫥錆M整個軸承，隨著潤滑脂的加入，廢潤滑脂就會從另一個出油孔排出，從而實現(xiàn)潤滑脂的更替，滿足電機軸承潤滑需要。從圖1可看出，前軸承座裝有兩層骨架油封結(jié)構(gòu)，第一層是軸承蓋內(nèi)的骨架油封，防止外界水、蒸汽等液體進入電機內(nèi)部;第二層是軸承座前的骨架油封，防止軸承室內(nèi)潤滑脂溢出。

后軸承座采用軸承擋圈結(jié)構(gòu)，電機為立式安裝，后軸采用背－背角接觸軸承，便于臥式試驗需要。擋圈用來固定軸承外圈，擋圈上開有進油孔，油脂通過油嘴進入軸承室，軸承前端采用鎖緊螺母固定。圖2中霍爾電路板固定在后軸承座上，當(dāng)電路板出現(xiàn)故障時，可打開后罩，直接調(diào)試、更換電路板，對電機整體的結(jié)構(gòu)改動不大，可提高維護效率。

圖2 前、后端蓋結(jié)構(gòu)圖

3 防水結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4942.1旋轉(zhuǎn)電機外殼防護分級(IP)，對旋轉(zhuǎn)電機外殼的防護等級作了具體規(guī)定，小型電氣產(chǎn)品常選用較高的防護等級，一般不低于IP53，常用的有IP54、IP55、IP65。因此，電機產(chǎn)品合理設(shè)計密封結(jié)構(gòu)尤為重要。戶外型旋轉(zhuǎn)電機多采用甩水環(huán)曲路結(jié)構(gòu)，靜止接觸面多采用止口結(jié)構(gòu)、密封填料函、O型圈等方式。

該設(shè)計采用多種密封手段:

(1)甩水環(huán)結(jié)構(gòu)。軸伸端采用甩水環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，離心力將液體甩出，防止液體進入電機內(nèi)部。圖1中，甩水環(huán)邊角凹口向外，更容易甩出液體。一般設(shè)計甩水環(huán)厚3～5 mm，與軸過盈配合，采用熱套的方式。

(2)O型圈和止口密封結(jié)構(gòu)。電機平面靜密封采用O型圈，止口較深，設(shè)計為10～15 mm，配合O型圈使用，能夠起到很好的密封效果。

(3)填料函密封結(jié)構(gòu)。電纜出線盒采用填料函的結(jié)構(gòu)，出線盒與機座間有橡膠墊，并用壓板固定，涂環(huán)氧固化;外部電纜使用IP65的防水接頭。

采用上述方法，整機能達到有效防止灰塵進入，承受任何方向噴水無有害影響的IP55等級要求。

4 消除軸電壓和軸電流的設(shè)計

軸電壓是電動機兩軸承端或電機轉(zhuǎn)軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓，其產(chǎn)生原因一般有以下幾種:

(1)磁不平衡。電動機由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵心槽、通風(fēng)孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在轉(zhuǎn)軸的周圍有交變磁通切割轉(zhuǎn)軸，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。

(2)逆變供電產(chǎn)生軸電壓。電動機采用逆變供電運行時，由于電源電壓含有較高次的諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)，使轉(zhuǎn)軸的電位發(fā)生變化產(chǎn)生軸電壓。

(3)靜電感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓。在電機運行的現(xiàn)場周圍有較多的高壓設(shè)備，在強電場的作用下，在轉(zhuǎn)軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。

在電機運行過程中，如果在兩軸承端或電機轉(zhuǎn)軸與軸承間有軸電流的存在，那么電機軸承的使用壽命將會大大縮短，同時由于軸承損壞及更換帶來的經(jīng)濟損失很大。在電機起動時，軸承內(nèi)的潤滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜而放電，構(gòu)成回路，軸電流將從軸承和轉(zhuǎn)軸的金屬接觸點通過，瞬間產(chǎn)生高溫，使軸承局部燒熔，由于轉(zhuǎn)軸硬度及機械強度比軸承合金的高，通常表現(xiàn)出來的癥狀是軸承內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕。

為了避免軸電壓和軸電流對軸承的嚴重影響，目前有兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計:

(1)在軸端安裝接地炭刷，以降低軸電位，使接地炭刷可靠接地，并且與轉(zhuǎn)軸可靠接觸，保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，以此消除軸電流。

(2)在軸承座和軸承支架處加絕緣隔板，以切斷軸電流的回路。

如采用絕緣軸承座的方式，給生產(chǎn)、加工、裝配帶來一定難度，大功率永磁BLDCM的軸承座強度也很難保證。因此采用第一種方式，從圖3可以看到軸端加炭刷，與轉(zhuǎn)子接觸并接地，很好地消除軸電流的影響。通過以上處理，電動機的軸電流微乎其微，已不會對電機構(gòu)成實質(zhì)上的危害。現(xiàn)場實踐證明，經(jīng)上述方式處理后實際使用壽命可由原來的幾十個小時提高到上萬小時，效果比較明顯，尤其對高壓電機軸電流的防范效果好，對安全生產(chǎn)具有積極作用。

圖3 防軸電流炭刷結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 語

大功率永磁BLDCM轉(zhuǎn)子磁力很大，裝配難度較高，根據(jù)實際工況對電機軸承選型，密封性能更是設(shè)計的重點。本文介紹各主要零部件的設(shè)計原理和思路，導(dǎo)向定位的裝配方式在長期使用中效果顯著，甩水環(huán)的使用、止口的配合尺寸、O型圈的開槽尺寸直接影響到電機的防護等級和使用壽命，軸電流的處理方法也直接影響電機軸承的使用，文中的結(jié)構(gòu)設(shè)計能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，具有一定的推廣價值。

［1］黃國治，傅豐禮.中小旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2007.

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［3］王秀和.永磁電機［M］.北京:中國電力出版社，2007.

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