傳統制梯形槽電樞沖片法的不足及完善措施

蔣 昕，張 宇，張躍江

(1. 貴州航天林泉電機有限公司，貴州貴陽550003；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州貴陽550003)

0 引言

電樞梯形槽的選擇對電動機槽滿率、損耗、效率、啟動轉矩、空載電流、額定轉速等性能影響很大[1-2]。梯形槽主要有梨形槽和梯形槽(圖1)。梨形槽沖模制造簡單，但槽面積較梯形槽小。

圖1 定子梯形槽

在同款電機設計中，槽滿率、繞組并繞根數、并聯路數一定，槽面積越大、可選擇線徑越大，電機熱負荷越小，故一般常用梯形槽。

考察以往永磁無刷直流電機產品，電樞沖片梯形槽均是以Ansoft計算所得理想梯形槽參數為基礎，利用傳統作圓求交點法所制。經分析，由傳統作圓求交點法所制梯形槽與實際Ansoft計算所得理想梯形槽存在較大差異，現以一臺某型號無人機用永磁無刷直流舵電機(基本參數如表1)為例，先闡述傳統作圓求點制電樞沖片梯形槽法；然后對比理想梯形槽找出差異，再分析差異對電機槽滿率及性能的影響，最后，提出以作平行線求交點法制理想梯形槽電樞沖片的完善措施。

表1 永磁無刷直流舵電機電磁結構參數

1 傳統作圓求交點制梯形槽法

圖2(a)、(b)分別是所述永磁無刷舵電機梯形槽參數及Ansoft計算所得理想梯形槽示意圖。

圖2 理想梯形槽

利用傳統作圓求交點法制梯形槽電樞沖片：

(1)先令定子沖片內圓直徑為φa，φa=55作圓，再分別以φb=φa+2Hs0=56.5、φc=φb+2Hs1=57.5、φd=φc+2Hs2+2Rs=88.5作圓，然后以φe=100作沖片外徑，最后作中心線A、B，并交于點O，其中中心線A交φa于u點(如圖3)。

(2)以O為基點，將A中心線逆時針復制旋轉10°，得C線，交φd圓于v點；再以Bs0/2一半槽口寬作C線的平行線D，分別與φa、φb圓交于m、n兩點(如圖4)。

圖3 圖4

(3)以TW/2一半齒寬作A線平行線E，分別交φc、φd于x、y兩點(如圖5)。

圖5 圖6

(4)保留um弧線，連接mn線段，ny線段，yx線段，保留xv弧線，再將除A、B中心線及φe圓以外的線刪除，再在x處倒Rs=1.5的圓角，得圖6。

(5)以A線為中心線，對umnyxv線鏡像，再以O為基點，對umnyxv線及其鏡像線進行陣列，最后按設計尺寸標注得電樞沖片工程圖7。圖8是按上述傳統作圓求交點法所制梯形槽電樞沖片實物圖。

圖7 圖8

2 傳統作圓求交點法所制梯形槽與實際梯形槽參數對比

圖9 作圓求交點法 所制梯形槽參數

局部放大傳統作圓求交點法所制單個梯形槽，并測量相關主要參數，如圖9。

對比以傳統作圓求交點法所制梯形槽參數與理想梯形槽參數(如表2)，可知，以作圓求交點法所制梯形槽參數中圓角半徑R、槽口寬Bs0及槽口高與理想梯形槽尺寸相同，極靴高Hs1和槽深Hs2比理想梯形槽尺寸偏小。具體對比梯形槽可知，如圖10，理想梯形槽是平底槽，而作圓求交點法所制梯形槽非平底槽。

圖10 梯形槽對比圖

表2 梯形槽參數對比

3 分析差異對電機槽滿率及性能的影響

3.1 槽滿率對比

在所設線徑、并聯支路數、并繞根數等其他相關參數一定的情況下，將理想梯形槽參數與傳統作圓求交點法所制梯形槽參數分別代入Ansoft仿真建模計算槽滿率，所得結果如圖11、圖12。

圖11 理想梯形槽參數及仿真結果

圖12 以傳統作圓求交點法所制梯形槽參數及仿真結果

對比圖11和圖12，以理想梯形槽參數計算所得槽滿率約66.76%，而以傳統作圓求交點法所制梯形槽參數所得槽滿率約70.7%，兩者相差3.82%。

考慮到實際繞線過程中，槽滿率越高，繞線工藝性越差，繞線越困難，而以傳統作圓求交點法所制梯形槽電樞沖片槽滿率經驗值一般不超過68%，對比以上槽滿率數據可知，若以理想梯形槽參數所制電樞槽滿率可達到70.7%，留余取整得70%，此時，電樞繞組可選擇規格較粗的漆包線以使熱負荷降低。

3.2 熱負荷對比

熱負荷是衡量電機發熱程度的重要參數，熱負荷越高，銅耗越高，相同條件下溫升越高。現以理想梯形槽參數為基礎，以并繞根數、并聯支路數、繞組層數等參數為常量，分別選擇梯形槽電樞沖片槽滿率為66.76%和 70%時漆包線線徑，并計算熱負荷，結果分別如圖13(a)、(b)。

圖13 最大線徑與熱負荷值

根據Ansoft計算結果，當槽滿率為66.76%時，可選擇線徑為0.95 mm的漆包線，此時熱負荷為116.9 ；當槽滿率為70%時，可選擇線徑為0.98 mm的漆包線，此時熱負荷為108.7 。對比可知，熱負荷降低了7%。

3.3 磁密及負載效率對比

在所設所選磁鋼性能、漆包線規格、氣隙長度等其他相關參數相同的情況下，分別將理想梯形槽參數與傳統作圓求交點法所制梯形槽參數代入Maxwell建模計算電樞齒部、電樞軛部磁密及電機負載效率圖，如圖14(a)、(b)。

圖14 電樞磁密云圖及電機負載效率圖

對比圖14(a)和(b)可知，在所設所選磁鋼性能、漆包線規格、氣隙長度等其他相關參數相同的情況下，兩種梯形槽電樞軛磁密基本相同，數值均在1.6 T之間內，而由于傳統作圓求交點法所制梯形槽電樞齒極靴高度是0.39 mm小于理想梯形槽電樞齒部極靴高度0.5 mm，故以傳統作圓求交點法所制梯形槽所得電樞齒部磁密最高是1.58 T大于理想梯形槽帶電樞齒部磁密1.56 T(但均在經驗值1.7 T之內)，故此時，在額定點，以傳統作圓求交點法所制梯形槽電機效率為88.72%，而理想梯形槽電機效率為88.96%，兩者相差0.24%。

綜上，以Ansoft計算所得理想梯形槽參數為基礎，利用傳統作圓求交點法所制電樞沖片梯形槽參數與理想梯形槽參數存在差異，若用此種梯形槽電樞沖片，會增大電機電樞槽滿率，降低繞線工藝性，延遲產品生產周期，增大電機熱負荷及電機電樞齒部磁密，降低電機額定點負載效率。根據相關文獻電樞梯形槽不同還會對電機啟動電流，啟動轉矩等性能產生影響[3-4]，故用正確的方法制電樞梯形槽，使所制梯形槽參數與理想梯形槽參數相符，對提升電機性能意義重大。下面將闡述以作平行線求交點制理想梯形槽電樞沖片法。

4 作平行線求交點制理想梯形槽電樞沖片法

1)以Ansoft計算所得最終理想梯形槽參數為基礎(如圖15)，分別令電樞沖片內圓直徑為φa，外圓直徑為φb，并以φa=55、φb=100作圓，再作中心線A、B，并交于點O(如圖15)。

圖15 圖16

2)以O為基點，將A中心線順時針復制旋轉10°，得到C線，交φa于點u；以bs0/2一半槽口寬作C線平行線D，交φa圓于v點；以bs1/2和bs2/2分別作A線平行線E和F(如圖16)。

3)以v點為起點沿C線作線段vm=Hs0=0.75，再通過點m作B線平行線G；沿D線分別以Hs0+Hs1=1.25、Hs0+Hs1+Hs2=15.25和Hs0+Hs1+Hs2+Rs=16.75為間距作G線平行線J、K、L，其中J線交E線于n點，K線交F線于x點，L線交A線分別于y點(如圖17)。

4)以Rs=1.5作L線與F線的倒角，并連接線段mn、nx；保留弧線uv、沖片外圓φb、中心線A、B和vmnxy線，刪除其余線，得圖18。

圖17 圖18

5)以A線為中心線，對vmnxy線鏡像，再以O為基點，對vmnxy線及其鏡像線進行陣列，最后按電機設計尺寸標注得電樞沖片工程圖19。圖20是按上述作平行線求交點法所制理想梯形槽電樞沖片實物圖。

圖19 圖20

圖21 作平行線求交點法所制梯形槽參數

局部放大以作平行線求交點法所制單個梯形槽，并測量相關主要參數，如圖21。

對比以作平行線求交點法所制梯形槽參數與實際梯形槽參數(如表3)，可知以作平行線求交點法所制梯形槽參數與理想梯形槽參數完全相符，故為保證梯形槽電機槽滿率、繞線工藝性及電機性能，建議采用以Ansoft計算所得理想梯形槽參數為基礎，利用作平行線求交點法制梯形槽電樞沖片。

表3 梯形槽參數對比

5 結論

本文以一臺1.2 kW某型號無人機用永磁無刷直流舵電機為例，闡述了傳統作圓求點制電樞沖片梯形槽法；然后對比理想梯形槽找出差異，經分析差異對電機槽滿率、熱負荷、磁密、負載效率等性能的影響，得出以下結論：

1)以傳統作圓求交點法所制梯形槽參數所得槽滿率比以理想梯形槽參數計算所得槽滿率高，考慮實際以傳統法制電樞槽滿率經驗值一般不超過68%，若以理想梯形槽參數所制電樞槽滿率可達到70.7%，留余取整為70%，故若以理想梯形槽參數制電樞槽滿率經驗值上限可設為70%，此時，電樞繞組可選擇規格較粗的漆包線以降低電機熱負荷。

2)當以70%為上限，以理想梯形槽參數制梯形槽電樞可選擇比以傳統法所制梯形槽電樞規格較粗的漆包線，而電機熱負荷可降低7%。

3)在所設所選磁鋼性能、漆包線規格、氣隙長度等其他相關參數相同的情況下，以傳統作圓求交點法所制梯形槽電樞齒部磁密高于理想梯形槽帶電樞齒部磁密；在額定點，以傳統法所制梯形槽電機效率比理想梯形槽電機效率低0.24%。

考慮傳統作圓求交點制梯形槽法的不足皆是因為傳統法所制梯形槽參數與理想梯形槽參數不相符，故本文最后提出以作平行線求交點制理想梯形槽電樞沖片法的完善措施，以此種方法所制梯形槽參數與理想梯形槽參數完全相符。建議在電機研制生產中，將以作平行線求交點制梯形槽電樞沖片法替代傳統制梯形槽電樞沖片法，以降低電機槽滿率和熱負荷，縮短電機研制周期，提高電機運行效率。