分?jǐn)?shù)槽集中繞組無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組結(jié)構(gòu)對(duì)比

朱智平，章黎明，陳方紅

(橫店集團(tuán)聯(lián)宜電機(jī)有限公司，浙江東陽(yáng)322118)

0 引 言

在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組已經(jīng)非常普遍，但幾乎所有的場(chǎng)合都是采用雙層繞組，分?jǐn)?shù)槽雙層集中繞組以其端部尺寸小、功率密度大、適合機(jī)器自動(dòng)繞線等優(yōu)點(diǎn)，成為各大電機(jī)廠家首選的設(shè)計(jì)方案。然而，幾乎很少有人會(huì)聯(lián)想到分?jǐn)?shù)槽單層集中繞組。

本文以6槽8極的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，針對(duì)分?jǐn)?shù)槽繞組單層和雙層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Ansoft軟件，計(jì)算了電機(jī)的氣隙磁密、電感、電流、功率和扭矩，通過(guò)性能對(duì)比，對(duì)兩者進(jìn)行更全面的了解，根據(jù)它們的特點(diǎn)，可以更合理地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)模型和繞組結(jié)構(gòu)

1.1 電機(jī)模型

本文以6槽8極無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例，具體尺寸如下:定子外徑42 mm，定子內(nèi)孔22 mm，定子長(zhǎng)度60 mm，轉(zhuǎn)子外徑20.5 mm，極弧系數(shù)0.75。將電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入Rxmprt模塊，編譯仿真后，自動(dòng)生成Maxwell 2D模型。

對(duì)照電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用Maxwell 2D模型編輯器對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，模型經(jīng)過(guò)加載、剖分、求解后等過(guò)程后，得到電機(jī)二維磁場(chǎng)分布。求解區(qū)域網(wǎng)格剖分如圖1所示，圖2為磁場(chǎng)分布云圖，圖3為氣隙磁密分布圖。

1.2 繞組結(jié)構(gòu)

根據(jù)槽電動(dòng)勢(shì)星形圖，很容易得到繞組分布圖。圖4(a)為雙層集中繞組結(jié)構(gòu)圖，圖4(b)為單層集中繞組結(jié)構(gòu)圖。在該實(shí)例中，雙層繞組電機(jī)中線圈組 A1、A2、B1、B2、C1、C2的匝數(shù)分別為 23 匝，而單層繞組電機(jī)中線圈組A、B、C的匝數(shù)分別為46匝。這兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)其余零部件均相同，由于采用相同直徑的漆包線，顯然兩種電機(jī)的槽滿率也是相同的。

圖4 集中繞組結(jié)構(gòu)

2 性能計(jì)算參數(shù)對(duì)比

雙層繞組電機(jī)和單層繞組電機(jī)的參數(shù)幾乎一模一樣，電機(jī)的總匝數(shù)和電阻也一樣，兩者在性能上會(huì)有什么差異?考慮到線圈分布位置的不同可能會(huì)產(chǎn)生不同電感，而電機(jī)電感又會(huì)對(duì)電機(jī)機(jī)械特性產(chǎn)生巨大影響，因此決定通過(guò)Maxwell 2D對(duì)該電機(jī)的兩種繞組結(jié)構(gòu)的電感進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)兩者的電感差異很大。具體如下:

雙層繞組計(jì)算電感:

單層繞組計(jì)算電感:

式(1)和式(2)中的電感矩陣數(shù)值為電機(jī)長(zhǎng)度為1 m的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)還需乘以0.06，顯然，單層繞組的電感約為雙層繞組的電感的2倍。

得到電感數(shù)值的差異后，要對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。性能指標(biāo)具體對(duì)比情況如圖5～圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速力矩曲線

3 兩種結(jié)構(gòu)原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

采用三相六狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)這兩種不同繞組形式的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并用測(cè)功機(jī)系統(tǒng)對(duì)它們的機(jī)械特性進(jìn)行了測(cè)試。樣機(jī)實(shí)物圖如圖9所示，電機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)與Ansoft計(jì)算結(jié)果有一定偏差，但整體上來(lái)說(shuō)還是比較吻合的。下面以某個(gè)固定力矩值進(jìn)行比較，此處以客戶指定的力矩點(diǎn)0.5 N·m為例，具體對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

圖9 樣機(jī)實(shí)物圖

表1 不同繞組形式的對(duì)比數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上Ansoft計(jì)算和樣機(jī)實(shí)物測(cè)試，可以得出以下結(jié)論:

單層繞組結(jié)構(gòu)電機(jī)比雙層繞組結(jié)構(gòu)電機(jī)電感大。由于電感因素的影響，單層繞組電機(jī)機(jī)械特性明顯比雙層繞組電機(jī)要軟，因此單層繞組電機(jī)機(jī)械特性類似于串勵(lì)電機(jī)特性，非常適合于電動(dòng)工具等行業(yè)使用，在過(guò)載情況下電機(jī)也不容易燒毀。而雙層繞組電機(jī)機(jī)械特性較硬，基本上為線性變化，機(jī)械特性類似于永磁直流電動(dòng)機(jī)。單層繞組電機(jī)相對(duì)于雙層繞組電機(jī)而言，電機(jī)的最大輸出功率較小，在低速過(guò)載情況下電流較小，效率較高。

通過(guò)以上對(duì)比，在以后的電機(jī)選型過(guò)程中，可以根據(jù)電機(jī)的實(shí)際使用情況，合理地選擇合適的繞組方式，以便充分發(fā)揮利用好電機(jī)的機(jī)械特性。

［1］湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:101－102.

［2］趙博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010:150－199.