拼塊式和鉸鏈?zhǔn)綗o刷直流電動(dòng)機(jī)
王崢1，2
(1上海交通大學(xué)，上海200030；2中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十一研究所，上海200233)
摘要：主要介紹兩種新型的無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞結(jié)構(gòu)，即拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌�。分析了采用該電樞結(jié)構(gòu)的條件，然后詳細(xì)介紹其電樞沖片、電樞鐵心和槽絕緣，并舉例介紹拼塊式無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞的嵌線和拼裝。最后通過對(duì)比說明，采用拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姄附Y(jié)構(gòu)能夠大大節(jié)約電樞鐵心成本，提高電機(jī)性能。
關(guān)鍵詞：拼塊式電樞；鉸鏈?zhǔn)诫姌�；無刷直流電動(dòng)機(jī)
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)05—0016—03
O引 言
中小型電機(jī)大多采用傳統(tǒng)的整圓式電樞沖片，即電樞沖片是整圓的，齒槽交錯(cuò)、均勻連續(xù)地沿圓周分布。在電樞沖片加工過程中，勢(shì)必產(chǎn)生許多邊角廢料，影響硅鋼材料的利用率，增加制造成本。這種整圓式的電樞鐵心嵌線比較困難，槽滿率低，端部相對(duì)較長(zhǎng)，不利于提高產(chǎn)品的性能和規(guī)模化生產(chǎn)。
本文分析研究了一種新型的電樞結(jié)構(gòu)，即拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姍C(jī)電樞。這種電樞結(jié)構(gòu)可以提高原材料的利用率，降低成本，改善電機(jī)產(chǎn)品的性能。同時(shí)，也將為無刷直流電動(dòng)機(jī)提供一種新穎、有效的結(jié)構(gòu)形式，并將推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
1采用拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌薪Y(jié)構(gòu)的條件
首先，介紹四個(gè)概念。
(1)分?jǐn)?shù)槽繞組。分?jǐn)?shù)槽繞組就是每極每相槽數(shù)為分?jǐn)?shù)，即：
式中：q為每極每相槽數(shù)；z為定子或轉(zhuǎn)子槽數(shù)；p為極對(duì)數(shù)；m為繞組相數(shù)。
(2)極距。一個(gè)磁極在圓周方向所跨過的距離，通常以槽數(shù)來表示。即：
式中：t為極距。
(3)繞組節(jié)距。一個(gè)電樞元件在圓周方向所跨過的槽數(shù)，用y來表示。當(dāng)y=r時(shí)，稱為全距繞組；當(dāng)y或y>r時(shí)，稱為短距或長(zhǎng)距繞組。通常，為了消除或減小電樞繞組磁勢(shì)諧波，采用短距或長(zhǎng)距繞組。
(4)短距系數(shù)或長(zhǎng)距系數(shù)。公式如下：
為了保證繞組基波磁勢(shì)不會(huì)被消弱太多，繞組的短距系數(shù)或長(zhǎng)距系數(shù)不宜太小，也就是繞組節(jié)距盡量接近極距。
當(dāng)極距t接近于1時(shí)，通常繞組節(jié)距取1，該繞組稱為集中式繞組。
表1列出了微型無刷直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)常采用的極槽配合以及相關(guān)參數(shù)(假設(shè)m=3)�？梢钥闯�，   如果采用表2中的極槽配合和繞組節(jié)距，Kp1會(huì)很小，電機(jī)性能會(huì)過分消弱。
2拼塊式和鉸鏈?zhǔn)綗o刷直流電動(dòng)機(jī)電樞特點(diǎn)
2．1拼塊式和鉸鏈?zhǔn)綗o刷直流電動(dòng)機(jī)電樞沖片
拼塊式電樞沖片具有較明顯的結(jié)構(gòu)特征，就是將傳統(tǒng)的整圓的電樞沖分成z(槽數(shù))單元，z個(gè)單元是分離的。圖1為傳統(tǒng)式電樞沖片，圖2為拼塊式電樞沖片。
鉸鏈?zhǔn)诫姌袥_片是在拼塊式電樞沖片基礎(chǔ)上發(fā)展而來，連續(xù)沖制，并使z個(gè)單元相互銜接地排列成一條直線，更利于規(guī)�；a(chǎn)。圖3為鉸鏈?zhǔn)诫姌袥_片。
單個(gè)拼塊式電樞沖片的面積是整個(gè)電樞沖片的1／z，可以利用帶狀材料沖制，減少邊角廢料。而且，可以通過合理安排沖制工藝，進(jìn)一步減少邊角料的浪費(fèi)。
拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌袥_片上有三個(gè)隼峁，片與片之間可以通過隼峁相扣，所以電樞鐵心疊裝不需要黏結(jié)劑，并且可以在沖片沖制過程中自動(dòng)完成。對(duì)于大機(jī)座號(hào)的電機(jī)，可以在
電樞外圓接縫處增加激光點(diǎn)焊，防止散片，提高可靠性。圖4為單個(gè)拼塊式電樞鐵心，圖5為鉸鏈?zhǔn)诫姌需F心。
2.2拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌胁劢^緣
傳統(tǒng)的電樞槽絕緣材料大多為聚酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜和聚酰亞胺等薄膜材料，這些薄膜材料墊在鐵心槽中容易滑動(dòng)，所以通常采用人工嵌線。拼塊式或鉸鏈?zhǔn)诫姌械牟郾灰环譃槎�，薄膜材料很難定位，不僅不利于人工或機(jī)器嵌線，還會(huì)降低生產(chǎn)效率，所以薄膜材料不宜作為鉸鏈?zhǔn)诫姌械牟劢^緣。通常采用一種新型結(jié)構(gòu)的槽絕緣材料，即聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，PBT可以在140℃下長(zhǎng)期工作，而玻璃纖維PBT的耐熱程度可達(dá)200℃。采用注塑成型，使之與電樞鐵心緊密貼合。這種槽絕緣既具有足夠的機(jī)械和絕緣強(qiáng)度，平整，厚度適中，又易于嵌線，節(jié)省槽空間。圖6為該槽絕緣的結(jié)構(gòu)圖，可直接從兩端將鐵心套著，使電樞線圈與鐵心完全隔離，起到很好的機(jī)械與電氣保護(hù)作用。
2.3拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌械那毒�與拼裝
將繞制好的線圈安放到槽中或?qū)?dǎo)線直接繞在電樞槽中即為嵌線，這是整個(gè)電機(jī)電樞制造中的一個(gè)重要工序，也是工作量較大的一道工序。嵌線工藝的好壞不僅直接關(guān)系到是否能夠?qū)嵤╇姌欣@組的設(shè)計(jì)方案，而且會(huì)影響電樞繞組的槽利用率和整個(gè)絕緣系統(tǒng)的可靠性。拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌薪Y(jié)構(gòu)，由于采用集中繞組和特殊的槽絕緣，繞組安放和固定相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行機(jī)器嵌線。
拼塊式電樞嵌線時(shí)先逐個(gè)將電磁線直接繞制在電樞鐵心的齒部；然后通過專門的拼裝工具將繞制好的電樞鐵心拼裝起來，并壓入機(jī)殼內(nèi)，或者直接插入機(jī)殼內(nèi)；最后按照繞組接線圖接線。鉸鏈?zhǔn)诫姌星毒�時(shí)則連續(xù)地將電磁線直接繞制在電樞鐵心的齒部；然后利用鐵心的凹凸結(jié)構(gòu)直接將繞制好的電樞鐵心拼裝成圓，并壓入機(jī)殼內(nèi)；最后按照繞組接線圖接線，或者將線頭焊接在PcB電路板上。
下面以12槽10極無刷直流電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行研究，電機(jī)繞組星形向量圖如圖7所示。繞組相帶分布如表3所示。
根據(jù)表3，在采用拼塊式電樞嵌線時(shí)，可以將兩個(gè)電樞鐵心連續(xù)繞制，提高繞制效率，減少接線頭。根據(jù)表3，要求相鄰的兩個(gè)鐵心，一個(gè)正繞，一個(gè)反繞再拼接而成，并且正反繞向要與鐵心的凹凸記號(hào)槽相對(duì)應(yīng)。
實(shí)際嵌線時(shí)采用專用夾具，如圖8所示。將兩個(gè)鐵心為一組，裝入繞線夾具，繞線夾具槽口割制了與鐵心相對(duì)應(yīng)的凹凸記號(hào)槽，以保證兩鐵心的位置不會(huì)弄錯(cuò)。繞線夾具的方槽與繞線機(jī)相連，繞線時(shí)繞線機(jī)的主軸帶動(dòng)夾具回轉(zhuǎn)繞線，繞制好一個(gè)鐵心后，換一個(gè)方向繞制另一個(gè)鐵心。
繞制時(shí)，要求嵌入槽中的電磁線和線圈端部都應(yīng)排列整齊，無嚴(yán)重交叉，以防止槽滿率降低或破壞電磁線漆膜。
繞制好的電樞鐵心按照電樞接線圖要求接線，同一相的繞組首尾相連或舀酋沖目連，注意極性，如圖9所示．
最后，將繞制好的鐵心放在專用的拼裝夾具中將鐵心整成一體，如圖10所示，并壓入機(jī)殼。
3拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌薪Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
現(xiàn)有一種無刷直流電動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定電壓為300 V，額定功率為750 w，額定轉(zhuǎn)速為3000 r／min，定子外徑為Φ86mm，鐵心長(zhǎng)度為66mm。
設(shè)計(jì)方案采取12槽／10極，則q=O 4，r=l 2，可取y=1，采用集中繞組。
拼塊式和鉸鏈?zhǔn)綗o刷直流電動(dòng)機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)式無刷直流電動(dòng)機(jī)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
3．1節(jié)約原材料
定子沖片尺寸如表4所示。
拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌袥_片可以采用帶狀材料沖制，而傳統(tǒng)式電樞沖片多采用方料沖制，且可以按圖ll兩種方式?jīng)_制。
傳統(tǒng)式與拼塊式、鉸鏈?zhǔn)诫姌袥_片的材料成本對(duì)比如表5所示。
由表5可以看出，對(duì)單個(gè)沖片而言，拼塊式和鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)所需要的材料僅是傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)的77．2％左右，改善工藝后甚至可以減少至55 9％。所以，對(duì)于一定長(zhǎng)度的電樞鐵心，拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌需F心成本****可以減少至傳統(tǒng)式電樞鐵心的56％左右，節(jié)約成本是相當(dāng)可觀的。
3．2降低齒槽轉(zhuǎn)矩
拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌星毒�工藝不同于傳統(tǒng)式電樞，它是直接將電磁線圈直接繞在電樞齒部，不需要考慮電樞鐵心的槽口寬度，故可以設(shè)計(jì)成為閉口槽。閉口槽對(duì)于降低齒槽轉(zhuǎn)矩，改善轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)起到不可忽視的作用。當(dāng)取不同的槽口寬bs0時(shí)，利用Anson軟件仿真得到的齒槽轉(zhuǎn)矩，如圖12所示。  3．3槽滿率高、效率高
拼塊式和鉸鏈?zhǔn)诫姌欣@組直接機(jī)繞在電樞齒部，繞組排列整齊、端部長(zhǎng)度小、槽滿率高。端部長(zhǎng)度小，可以減小單個(gè)繞組的半匝長(zhǎng)，降低銅耗，提高電機(jī)效率。具體對(duì)比如表6所示。
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