空心繞線杯無刷電機(jī)繞組設(shè)計(jì)技術(shù)

楊素香，石 峰，王 崢，單鵬飛

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

空心杯無刷伺服電機(jī)定子鐵心無齒槽，繞組形式為空心杯結(jié)構(gòu)，降低了產(chǎn)品的靜摩擦力矩、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，從根本上消除了鐵心渦流效應(yīng)，進(jìn)而減少了電機(jī)運(yùn)行時的能耗，它具有較好的控制特性和運(yùn)行特性，在各類伺服驅(qū)動場合得到了廣泛應(yīng)用，是無刷電機(jī)未來發(fā)展方向。目前，國內(nèi)空心杯無刷伺服電機(jī)基本依賴進(jìn)口[1]，國內(nèi)對空心杯無刷電機(jī)的研制還處于發(fā)展階段，研究方向以同心式繞組形式為主流方向，主要還停留在繞組結(jié)構(gòu)形式、性能分析、工藝流程探索階段，與國外成熟產(chǎn)品還存在一定差距。

本文分析了空心杯無刷電機(jī)繞組不同結(jié)構(gòu)形式繞制方法，給出影響繞線杯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，重點(diǎn)分析了菱形繞線杯的結(jié)構(gòu)形式及繞組參數(shù)設(shè)計(jì)的方法，通過菱形繞線杯產(chǎn)品試制，驗(yàn)證了菱形繞線杯無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)方法和加工方法的合理性和可行性，對空心杯無刷電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考[2]。

1 空心杯無刷電機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

空心杯無刷電機(jī)體積小、質(zhì)量輕，主要由定子組件、空心杯組件、傳感器組件、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承等組成，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為減小齒槽轉(zhuǎn)矩，降低起動轉(zhuǎn)矩，定子鐵心采用無齒槽結(jié)構(gòu)，三相定子繞組采用繞線杯結(jié)構(gòu)。位置傳感器采用開關(guān)型霍爾元件，傳感器磁鋼與主磁鋼轉(zhuǎn)子同軸連接，霍爾位置的精確定位通過繞線杯位置及傳感器調(diào)節(jié)進(jìn)行固定。

(a) 空心杯無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

繞線杯結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)空心杯無刷電機(jī)降低齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵部件，其繞線杯獨(dú)立線圈周向?qū)ΨQ安裝分布均勻性、繞線杯繞組固定方式、引出線的焊接等均是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。因此，繞線杯繞組在結(jié)構(gòu)上主要由三相對稱分布的繞組、繞組固定支架、引出線焊接板組成。

2 定子空心繞線杯組件設(shè)計(jì)

2.1 定子空心杯組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定子空心杯組件主要由繞線杯、繞線杯固定架、傳感器組件等組成，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。繞線杯經(jīng)繞制、周向整形形成三相對稱繞線杯后進(jìn)行絕緣處理后固定在繞線杯固定架上，引出線焊接在傳感器組件上，三相繞組中線通過傳感器電路板連接在一起，引出線與傳感器引出線一同從電路板上引出。

圖2 定子空心杯組件結(jié)構(gòu)圖

2.2 空心繞線杯繞組結(jié)構(gòu)形式

1) 直繞式

直繞式是指元件有效導(dǎo)體部分與電樞軸線平行的繞組，屬于集中繞組。繞制時先按匝數(shù)要求在繞線模上繞制成普通環(huán)形的漆包線元件，在排線芯軸上按繞組展開圖連成繞組，兩端部涂以適當(dāng)?shù)恼辰觿┎⒐袒尚汀?/p>

這種繞制方法槽滿率較高，繞線杯中部壁薄，但由于繞制線圈時漆包線排布不整齊有堆疊，故整個電樞杯線圈排布較亂，且排線時端部須留有走線余量，從而導(dǎo)致端部尺寸較高[3]。直繞式繞線杯平面連線如圖3所示。

圖3 直繞式繞線杯平面連接圖

2) 斜繞式

斜繞式也稱蜂房式繞組，采用蜂房式繞法制成，中間留抽頭，為了能連續(xù)繞制，必須使元件有效邊和電樞軸線成一定傾斜角度[4]。繞線時需制作專用的繞線芯軸，芯軸上插有兩排銷釘。芯軸的外圓即為電樞杯的內(nèi)徑，銷釘?shù)奈恢冒凑绽@線展開圖排布，銷釘?shù)男芯嗉礊殡姌斜拈L度。繞線時將芯軸裝入人工繞線機(jī)上，操作者轉(zhuǎn)動繞線機(jī)的手柄，則芯軸跟隨繞線機(jī)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，漆包線即纏繞在芯軸上。

這種繞制方法端部尺寸較小，但由于斜繞式連續(xù)繞制需要一定的排線角，使得漆包線交疊，槽滿率較低。

3) 菱形繞組

如圖4所示，采用先繞制成形線圈再排線的方法，即采用自粘性漆包線在專用成形繞線模上繞制，經(jīng)過多次整形排布制成電樞杯。繞制時兩層線圈排布整齊并定型，便于控制整形后電樞杯的尺寸，提高槽滿率；同時這種方法生產(chǎn)效率高，適合批量生產(chǎn)[4]，單個菱形繞組如圖5所示。

圖4 菱形繞組杯平面圖

圖5 菱形單個繞組實(shí)物圖

2.3 菱形繞線杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

繞線杯由單個成形線圈組成，線圈一般采用自粘性方導(dǎo)線，便于繞制與固定。依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸要求，進(jìn)行單個線圈的整形處理，成型后的線圈采用專用工裝定位進(jìn)行環(huán)形固定，如圖6所示。

圖6 整形固定后繞線杯示意圖

2.4 菱形繞線杯參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 極槽配合選擇與優(yōu)化

電機(jī)極槽(虛擬槽)配合在無刷電機(jī)設(shè)計(jì)中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，合適的極槽配合可以使得電機(jī)各項(xiàng)性能更能滿足指標(biāo)要求。對于空心杯電機(jī)，一個合適的極槽配合影響更大，不但影響電機(jī)電磁設(shè)計(jì)參數(shù)，更會影響繞組杯子的繞制工藝，進(jìn)而影響電機(jī)的性能參數(shù)、加工成本和效率等。由于空心杯無刷電機(jī)體積小、轉(zhuǎn)速較高、靜摩擦力矩更小，因此，電機(jī)極數(shù)不宜過多，一般選用2極或4極。

2) 繞組系數(shù)設(shè)計(jì)

菱形空心杯電機(jī)是由數(shù)個菱形線圈按照一定的規(guī)則排列而成。由于菱形線圈存在一個斜度，所以其繞組系數(shù)要較相同極槽配合的直槽電機(jī)小。同時，其繞組系數(shù)又與鐵心式電機(jī)不同，空心杯繞組的繞組系數(shù)還與磁鋼的長度有關(guān)，如圖7所示。若繞組縱向長度為c，則當(dāng)磁鋼長度小于c時，其繞組系數(shù)的變化規(guī)律和磁鏈標(biāo)幺值的變化規(guī)律如圖8所示，其中磁鋼長度標(biāo)幺值的基值為繞組軸向長度。采用仿真方法對不同磁鋼長度l與繞組系數(shù)之間的規(guī)律曲線進(jìn)行仿真，典型仿真曲線圖如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著磁鋼長度的增加，繞組系數(shù)呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在某一個特殊位置出現(xiàn)繞組系數(shù)的最大值，當(dāng)超過這個長度后，繞組系數(shù)會下滑，也就是說，當(dāng)磁鋼長度超過某個長度后，相同繞組的情況下，隨著磁鋼長度的增加(不超過繞組長度)，磁鋼的利用率開始降低；同時電機(jī)的磁鏈增加也不會很明顯，甚至開始下降。因此，在永磁體長度選擇時應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)電時間常數(shù)要求，利用最佳點(diǎn)原則，即磁鋼長度選擇在繞組系數(shù)最大值附近原則，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

圖7 單個菱形線圈示意圖

圖8 電機(jī)繞組系數(shù)變化規(guī)律

結(jié)合產(chǎn)品極槽配合不同方案對繞組系數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同極槽(虛擬槽)配合繞組系數(shù)最大值與k

從表1中可以看到，不同極槽配合最大繞組系數(shù)相差不多，磁鋼長度與繞組長度的比值k卻有很大不同。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中如何進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品性能、尺寸要求，開展參數(shù)設(shè)計(jì)。當(dāng)產(chǎn)品外徑尺寸小時，空間小，繞線杯尺寸相應(yīng)較小，若電機(jī)槽數(shù)較多，則圖7中a的尺寸會較小，由于繞線杯采用多層形式，尺寸較難控制；若電機(jī)槽數(shù)較少，則a尺寸會較大，在繞線杯整形時較難固定；同時，由于杯子較大，若電機(jī)極數(shù)較少則跨距較大，杯子走線較長，對于設(shè)計(jì)和工藝性都不利，所以相同情況下，優(yōu)先選用多極電機(jī)。

3 實(shí)用案例

結(jié)合以上空心繞線杯設(shè)計(jì)，進(jìn)行了一款菱形空心杯電樞無刷直流電動機(jī)繞線杯設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及樣機(jī)制作。

3.1 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

繞線杯、定子繞線杯、空心繞線杯實(shí)物如圖9所示。

(a) 繞線杯

3.2 數(shù)據(jù)對比

樣機(jī)性能對比如表2所示。

表2 樣機(jī)性能對比

樣機(jī)性能測試結(jié)果表明，本文的菱形繞線杯繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繞組系數(shù)設(shè)計(jì)是合理可行的，菱形繞線杯繞制、整形、固定方式對提高繞線杯工藝性起到了推動作用。

4 結(jié) 語

本文分析了空心杯無刷電機(jī)繞組不同結(jié)構(gòu)形式繞制方法，給出了影響繞線杯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，重點(diǎn)分析了菱形繞線杯的結(jié)構(gòu)形式及繞組參數(shù)設(shè)計(jì)方法，通過菱形繞線杯產(chǎn)品試制，驗(yàn)證了菱形繞線杯無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)方法和加工方法是合理、可行的，菱形繞線杯繞制、整形、固定方式對提高繞線杯工藝性起到了推動作用，具有重要的工程應(yīng)用價值。