分數槽集中繞組無刷直流電動機繞組結構對比

朱智平，章黎明，陳方紅

(橫店集團聯宜電機有限公司，浙江東陽322118)

0 引 言

在無刷直流電動機中采用分數槽集中繞組已經非常普遍，但幾乎所有的場合都是采用雙層繞組，分數槽雙層集中繞組以其端部尺寸小、功率密度大、適合機器自動繞線等優點，成為各大電機廠家首選的設計方案。然而，幾乎很少有人會聯想到分數槽單層集中繞組。

本文以6槽8極的無刷直流電動機作為研究對象，針對分數槽繞組單層和雙層結構，應用Ansoft軟件，計算了電機的氣隙磁密、電感、電流、功率和扭矩，通過性能對比，對兩者進行更全面的了解，根據它們的特點，可以更合理地進行產品設計。

1 電機模型和繞組結構

1.1 電機模型

本文以6槽8極無刷直流電動機為例，具體尺寸如下:定子外徑42 mm，定子內孔22 mm，定子長度60 mm，轉子外徑20.5 mm，極弧系數0.75。將電機結構參數輸入Rxmprt模塊，編譯仿真后，自動生成Maxwell 2D模型。

對照電機實際結構，利用Maxwell 2D模型編輯器對模型進行適當優化，模型經過加載、剖分、求解后等過程后，得到電機二維磁場分布。求解區域網格剖分如圖1所示，圖2為磁場分布云圖，圖3為氣隙磁密分布圖。

1.2 繞組結構

根據槽電動勢星形圖，很容易得到繞組分布圖。圖4(a)為雙層集中繞組結構圖，圖4(b)為單層集中繞組結構圖。在該實例中，雙層繞組電機中線圈組 A1、A2、B1、B2、C1、C2的匝數分別為 23 匝，而單層繞組電機中線圈組A、B、C的匝數分別為46匝。這兩種電機結構其余零部件均相同，由于采用相同直徑的漆包線，顯然兩種電機的槽滿率也是相同的。

圖4 集中繞組結構

2 性能計算參數對比

雙層繞組電機和單層繞組電機的參數幾乎一模一樣，電機的總匝數和電阻也一樣，兩者在性能上會有什么差異?考慮到線圈分布位置的不同可能會產生不同電感，而電機電感又會對電機機械特性產生巨大影響，因此決定通過Maxwell 2D對該電機的兩種繞組結構的電感進行計算。通過計算，發現兩者的電感差異很大。具體如下:

雙層繞組計算電感:

單層繞組計算電感:

式(1)和式(2)中的電感矩陣數值為電機長度為1 m的數據，該數據還需乘以0.06，顯然，單層繞組的電感約為雙層繞組的電感的2倍。

得到電感數值的差異后，要對電機性能進行計算對比。性能指標具體對比情況如圖5～圖8所示。

圖8 轉速力矩曲線

3 兩種結構原型機的實驗測試

采用三相六狀態標準驅動方式對這兩種不同繞組形式的電機進行驅動，并用測功機系統對它們的機械特性進行了測試。樣機實物圖如圖9所示，電機的實際數據與Ansoft計算結果有一定偏差，但整體上來說還是比較吻合的。下面以某個固定力矩值進行比較，此處以客戶指定的力矩點0.5 N·m為例，具體對比數據如表1所示。

圖9 樣機實物圖

表1 不同繞組形式的對比數據

4 結 語

通過以上Ansoft計算和樣機實物測試，可以得出以下結論:

單層繞組結構電機比雙層繞組結構電機電感大。由于電感因素的影響，單層繞組電機機械特性明顯比雙層繞組電機要軟，因此單層繞組電機機械特性類似于串勵電機特性，非常適合于電動工具等行業使用，在過載情況下電機也不容易燒毀。而雙層繞組電機機械特性較硬，基本上為線性變化，機械特性類似于永磁直流電動機。單層繞組電機相對于雙層繞組電機而言，電機的最大輸出功率較小，在低速過載情況下電流較小，效率較高。

通過以上對比，在以后的電機選型過程中，可以根據電機的實際使用情況，合理地選擇合適的繞組方式，以便充分發揮利用好電機的機械特性。

［1］湯蘊璆，史乃.電機學［M］.北京:機械工業出版社，2005:101－102.

［2］趙博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010:150－199.