定子鉸鏈?zhǔn)綗o刷電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及其性能
陳杰，趙振奎，徐剛
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：介紹了一種便于規(guī)模化生產(chǎn)的定子鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)無刷電動(dòng)機(jī)及其特點(diǎn)，利用有限元仿真軟件對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，從而獲得了正弦性較好的反電勢(shì)波形，并通過有限元仿真計(jì)算了電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電機(jī)采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)控制，具備了較好的伺服控制性能，為不同精度的伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合提供了一個(gè)選擇。
關(guān)鍵詞：定子鉸鏈?zhǔn)剑挥来艧o刷電動(dòng)機(jī)；有限元仿真；正弦波電流驅(qū)動(dòng)
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)04—0011一112
引 言
永磁無刷電動(dòng)機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)控制、交通運(yùn)輸以及現(xiàn)代武器裝備等各種領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。按電機(jī)繞組內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流的不同，可分為方波驅(qū)動(dòng)型和正弦波驅(qū)動(dòng)型，其中繞組驅(qū)動(dòng)電流為方波的稱方波驅(qū)動(dòng)型無刷電動(dòng)機(jī)(BLDcM)；繞組驅(qū)動(dòng)電流為正弦波的稱正弦波驅(qū)動(dòng)型無刷電動(dòng)機(jī)(PMsM或Ac motor)。對(duì)于方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)，許多文獻(xiàn)都進(jìn)行了論述，普遍認(rèn)為方波驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)較明顯的不足之處是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；而對(duì)應(yīng)方波驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)而言，正弦波驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)速比寬和控制精度高等特點(diǎn)，但成本也較高[1]。文獻(xiàn)[1]同時(shí)提出“正弦波驅(qū)動(dòng)是發(fā)展方向”，因此，應(yīng)結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)合，研究和開發(fā)較為經(jīng)濟(jì)的正弦波驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)。本文介紹一種較為經(jīng)濟(jì)的正弦波電流驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)定子采用鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，并采用集中繞組形式，避免了采用分布式繞組電動(dòng)機(jī)繞線不便進(jìn)行規(guī)�；a(chǎn)、定子沖片的利用率也較低的缺點(diǎn)，降低了制造成本。同時(shí)通過對(duì)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，該型電機(jī)獲得了正弦性較好的反電勢(shì)，配上高精度的旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器后，通過正弦波電流驅(qū)動(dòng)控制，該電機(jī)在獲得意效率和高出力的同時(shí)，具有較寬轉(zhuǎn)速控制范圍和較高的控制精度。
1鉸鏈?zhǔn)綗o刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)
鉸鏈?zhǔn)綗o刷電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的性能指標(biāo)要求為：額定電壓300V，輸出功率750 w，額定轉(zhuǎn)速3000 r／min。同時(shí)要求調(diào)速范圍寬、運(yùn)行平穩(wěn)。為此，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮通過獲得恒定的電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)。
1．1無刷電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)的反電勢(shì)波形要求
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為三相，若三相無刷電動(dòng)機(jī)各相繞組反電勢(shì)瞬時(shí)值分別用ua、ub和uc表示，電流瞬時(shí)值分別用ia、ib和ic表示，則在給定角速度mr不變條件下，只要能使：
就可以獲得恒定、且無脈動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩。通常電動(dòng)機(jī)的三相繞組是對(duì)稱的，ua、ub和uc的波形幅值是；相同的，只是相位不同，ia,ib和ic也一樣。由電機(jī)原理可知，三相無刷電動(dòng)機(jī)采用正弦波驅(qū)動(dòng)就可滿足式(1)的要求。
因此，我們將電機(jī)繞組反電勢(shì)波形設(shè)計(jì)為正弦波，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流也為正弦波，即可滿足式（1），使電磁轉(zhuǎn)矩保特恒定。
1．2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)
為使電機(jī)在獲得正弦反電勢(shì)波形的同時(shí)，有利于自動(dòng)化生產(chǎn)，我們從電機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和考慮。
鉸鏈?zhǔn)綗o刷電動(dòng)機(jī)定子鐵心是由與槽數(shù)相同的分段鐵心拼接組合而成，類似于整體式結(jié)構(gòu)在圓周上分割了相應(yīng)的鐵心塊，具體如圖1所示。而分塊的鐵心則由一定數(shù)量的T形沖片組成，T形沖片包括了分段的齒部和軛部，如圖2所示。
定子繞組設(shè)計(jì)為集中繞組，可方便地采用自動(dòng)化繞線機(jī)機(jī)繞的方式將線圈繞在分段鐵心上，不同的鐵心拼接后壓人機(jī)殼即為電機(jī)的定子。本文設(shè)計(jì)為12槽10極，圖3為帶繞組的分段定子鐵心及拼裝后的定子。
這種結(jié)構(gòu)除可利用機(jī)器繞線代替手工進(jìn)行分布式繞組下線外，可減小鐵心沖片的尺寸，對(duì)沖片原材料的利用率也大大提高，甚至還可用一些邊角料進(jìn)行。
轉(zhuǎn)子部分采用表貼式結(jié)構(gòu)，并選取合適的極弧寬度。
1．3反電勢(shì)及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)仿真 |
