無槽永磁無刷電動機設(shè)計研究
魏靜微1，張宏宇2
(1哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱150040；2黑龍江大學(xué)，哈爾濱150086)
摘要：在永磁無刷電動機的工作原理和結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，分析了無槽永磁無刷電動機的結(jié)構(gòu)及工藝的特殊性；采用等效磁路法對250 w典型樣機進行了電磁設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行了樣機試制；通過對試制樣機的測試，得出該電機的實驗數(shù)據(jù)及特性曲線，經(jīng)過與理論設(shè)計值比較，驗證理論分析的正確性。
關(guān)鍵詞：無槽；永磁電機；永磁無刷電動機
中圖分類號：tm351；tm36 +1 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)02-0009-03
0引言
無槽永磁無刷電動機是近年來產(chǎn)生并得到發(fā)展的一種新型電機，把無槽結(jié)構(gòu)引入永磁無刷電動機就是為了****程度的利用稀土永磁材料的高性能，從而得到高性能無刷永碰電動機的特殊性能并配以優(yōu)良的驅(qū)動系統(tǒng)使其成為理想的伺服執(zhí)行元件。特別適用于家用電器、辦公設(shè)備、醫(yī)療器械等要求低噪聲的場合，成為一代很有發(fā)展前景的無刷電動機品種，引起相當大的關(guān)注，國內(nèi)的文獻也有一些反映。
無槽永磁無刷電動機是為軍事需要而誕生的，隨著電子技術(shù)和永磁材料的不斷發(fā)展，如今已在民用事業(yè)中嶄露頭角，從文獻[2]中可以看出，產(chǎn)品的功率范圍為5 w~22 kw，電流范圍l a120 a，電壓范圍12 v—480v，機座號范圍吊34~360，足以和傳統(tǒng)永磁無刷電動機現(xiàn)有產(chǎn)品范圍相提并論，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)。
本文在分析無槽永磁無刷電動機結(jié)構(gòu)、電磁設(shè)計及制造工藝特點的基礎(chǔ)上，同時設(shè)計與制造了樣機，通過樣機實驗數(shù)據(jù)測試及實驗曲線繪制，進一步證明了該種電機的優(yōu)異特性。
l結(jié)構(gòu)特點
無槽永磁無刷電動機是永磁無刷電動機改良發(fā)展而派生的一種新型特種電機，其結(jié)構(gòu)特點在于電樞鐵心上設(shè)有齒和槽，用漆包線在鐵心表面編織成繞組，并用膠將它固化、粘牢，故稱“表面繞組”，因此，這種電機的氣隙比普通永磁無刷電動機大得多。為了產(chǎn)生足夠的氣隙磁密，要求永磁體必須有大的剩磁、矯頑力和磁能積，近隼來迅速發(fā)展的釹鐵硼永磁材料完全能滿足這種要求。
無槽永磁無刷電動機根據(jù)用途不同，電機可以做成徑向磁場，即圓柱式電機，也可以做成軸向磁場，即圓盤式電機。有電樞，永磁轉(zhuǎn)子，控制與驅(qū)動電路等三部分：
1)電樞部分圓柱式電機的電樞鐵心為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，由硅鋼片沖制而成，圓環(huán)沖成后迭壓在一起焊成整體結(jié)構(gòu)。電樞繞組由自粘性電磁線或普通電磁線繞制而成，繞制后排列成型放在專用工具加熱自粘成型或浸膠壓制成型。為了使繞組壓制過程中不致破壓，常常在繞組內(nèi)外圓放一較薄絕緣套筒，并將它與電樞壓在一起。
圓盤式電機的電樞鐵心也為一圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，但硅鋼片不需沖制，只要把硅鋼片裁成條料卷成圓環(huán)即可，這種鐵心不但制造簡單，而且也節(jié)約材料。電樞繞組則需繞成扇形，繞成后直接壓在電樞鐵心上，其工藝與圓柱式電機相同，如果電機功率不大時，電樞繞組也可采用印刷電路。
2)永磁轉(zhuǎn)子 由于該種電機電氣氣隙較大，因而磁鋼體積也較大，高速時離心力也較大，有時離心力可能超過粘膠的剝離強度。為了使轉(zhuǎn)子磁鋼在高速運轉(zhuǎn)時不致甩出。常常要在轉(zhuǎn)子表面加不導(dǎo)磁的不銹鋼圈進行加固，而且要有一定的預(yù)應(yīng)力。
3)控制與驅(qū)動電路無槽永磁無利電動機的控制與驅(qū)動電路可以采用與無刷直流電動機相同的電路。根據(jù)供電電源及要求不同而采用不同的驅(qū)動與控制形式。
2電磁設(shè)計
電磁設(shè)計最關(guān)鍵的問題是電磁負荷的選擇，對于不同的性能要求和使用場合，電磁負荷選擇不同。由于該電機電氣氣隙較大，我們可以選擇較大的電負荷91度這樣，電樞繞組的直流電阻就會較小，對驅(qū)動系統(tǒng)電流環(huán)控制比較容易，且電機的溫升也比較容易控制。
磁負荷選擇考慮到該種電機氣隙大，永磁材料應(yīng)采用強磁材料，如ndfeb等材料，而氣隙長度應(yīng)考慮在電樞繞組能合理布置前提下盡可能小。一般情況下，電氣氣隙在4 mm～8 mm。
當磁性材料與磁路結(jié)構(gòu)初步確定后，可按下述步驟計算：
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