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    一種電動(dòng)工具用高速電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)

    2018-01-19 11:22:27黃平林
    機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2018年1期
    關(guān)鍵詞:電動(dòng)工具磁路鐵心

    黃平林,羅 妤

    (1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.騰達(dá)電動(dòng)科技鎮(zhèn)江有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

    1 引言

    高速電動(dòng)機(jī)在許多行業(yè)中都有應(yīng)用,如電動(dòng)工具行業(yè)。以往電動(dòng)工具電機(jī)多采用單相串勵(lì)交流電機(jī),這類(lèi)電機(jī)需要用到碳刷和換向器進(jìn)行換向,這會(huì)影響到電機(jī)的使用壽命,特別是在高轉(zhuǎn)速的情況下[1]。而采用電子換向的永磁無(wú)刷電機(jī),因?yàn)椴恍枰獙?duì)電流進(jìn)行機(jī)械換向,可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù),具有較好的應(yīng)用前景。

    目前采用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)工具已不鮮見(jiàn),如電動(dòng)割草機(jī)、電動(dòng)綠籬機(jī)等,特別是充電型電動(dòng)工具,因其使用靈活,攜帶方便,在市場(chǎng)上更受歡迎。但這類(lèi)產(chǎn)品對(duì)電機(jī)的要求極高,既要求電機(jī)體積小、重量輕,還需要效率高,以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力,普通的高速電機(jī)難以滿(mǎn)足要求。文獻(xiàn)[2]發(fā)明了一種可應(yīng)用于無(wú)鐵心電機(jī)的PCB繞組工藝,應(yīng)用于電動(dòng)除草機(jī)電機(jī)中,電機(jī)轉(zhuǎn)速6000r/m以上,功率在150W,電機(jī)重量?jī)H0.7kg,系統(tǒng)效率達(dá)到82%,其性能指標(biāo)是同類(lèi)產(chǎn)品中最高的。但該電機(jī)采用了較為復(fù)雜的多層電路板工藝,實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本較高,而且由于采用了軸向磁通無(wú)鐵心電機(jī)技術(shù),電機(jī)繞組上的渦流損耗較大,發(fā)熱明顯,制約了電機(jī)功率和效率的進(jìn)一步提升[3]。

    為此,采用軟磁復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一款高速電機(jī),結(jié)合轉(zhuǎn)子HALBACH磁路的優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高效和輕量化,并成功地將此款電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)打草機(jī)中,對(duì)其他行業(yè)用高速電機(jī)也具有較好的參考價(jià)值。

    2 電機(jī)本體設(shè)計(jì)

    擬開(kāi)發(fā)的電機(jī)目標(biāo)性能為:轉(zhuǎn)速為(6000~10000)r/m,重量<0.7kg,扭矩>0.5nm,采用24V3500mah的鋰電池供電,正常工作時(shí)續(xù)航時(shí)間超過(guò)60min??紤]到外轉(zhuǎn)子電機(jī)可最大程度地提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩,初步確定電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)為外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī),為方便下線(xiàn)、并盡量減小繞組端部長(zhǎng)度,宜采用集中繞組,從而進(jìn)一步確定電機(jī)槽數(shù)為12,轉(zhuǎn)子極數(shù)為10,電機(jī)初始磁路結(jié)構(gòu),如圖1所示。采用MAXWELL RMxprt軟件對(duì)初始電機(jī)方案進(jìn)行性能計(jì)算,結(jié)果表明:當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到6000r/m時(shí),電機(jī)鐵心損耗顯著增加,電機(jī)效率小于65%,電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重,而且電機(jī)重量超過(guò)0.8kg??梢?jiàn),采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方案已不能滿(mǎn)足要求。

    圖1 電機(jī)初始磁路結(jié)構(gòu)Fig.1 Initial Magnetic Structure

    為此,考慮采用高頻性能更好的軟磁復(fù)合材料來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī),同時(shí)還需要對(duì)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子以及磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)一步提高效率、減輕重量。

    2.1 定子鐵心設(shè)計(jì)與優(yōu)化

    若按照傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法,定子鐵心采用硅鋼片沖片疊壓而成,沖片尺寸,如圖2(a)所示。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/m時(shí),電機(jī)的磁場(chǎng)頻率可通過(guò)下式計(jì)算:

    式中:n—電機(jī)轉(zhuǎn)速;p—電機(jī)極對(duì)數(shù)。

    由此得到10000r/m時(shí)電機(jī)磁場(chǎng)頻率為833.3Hz。

    考慮到鐵心材料的損耗特性為[4]:

    式中:右邊對(duì)應(yīng)的三項(xiàng)依次是磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗。

    由式(2)可知,磁滯損耗隨頻率線(xiàn)性增加、渦流損耗隨頻率的平方線(xiàn)性增加,因此隨著頻率的增加渦流損耗在總損耗中的比重會(huì)迅速增加。擬開(kāi)發(fā)的電機(jī)在833.3Hz的高頻之下,定子鐵心的損耗會(huì)非常大,從而降低電機(jī)效率。若采用減少電機(jī)極數(shù)的方法,雖然可降低磁場(chǎng)頻率,但電機(jī)的體積會(huì)增加。為此,擬采用軟磁復(fù)合材料(SMC)來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)定子鐵心。軟磁復(fù)合材料(Soft magnetic composites,SMC)是通過(guò)在鐵磁顆粒表面包覆電絕緣薄膜而獲得的一類(lèi)電磁應(yīng)用材料[5],具有良好的高頻特性和三維各向同性的磁性能,適合應(yīng)用于高速電機(jī)中。

    考慮到SMC材料的三維各向同性,在對(duì)電機(jī)定子鐵心進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),定子齒面還可設(shè)計(jì)成圓形或橢圓形,也可對(duì)齒邊進(jìn)行倒角設(shè)計(jì),這樣更方便加工,而且對(duì)繞線(xiàn)也有利,可避免定子齒部邊緣破壞漆包線(xiàn)的絕緣,并可獲得更高的槽滿(mǎn)率,進(jìn)一步提高電機(jī)的功率密度。

    用SMC材料加工定子鐵心倒角后的加工圖,如圖2(b)所示。SMC材料加工成橢圓形鐵心的加工圖,如圖2(c)所示??梢?jiàn),與硅鋼片疊片相比,采用SMC材料設(shè)計(jì)電機(jī)鐵心時(shí),鐵心設(shè)計(jì)可以變得更加靈活和精細(xì)。

    圖2 幾種定子鐵心結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Several Iron Core Structure

    2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

    永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子由永磁體和轉(zhuǎn)子磁軛組成,為了增加電機(jī)的功率密度,就需要通過(guò)多用永磁體來(lái)增強(qiáng)電機(jī)內(nèi)的有效磁場(chǎng),但多用永磁體后不但電機(jī)的成本增加,而且磁場(chǎng)增強(qiáng)后,構(gòu)成永久磁路的磁軛部分也需要加長(zhǎng),以避免軛部的磁飽和,由此又帶來(lái)電機(jī)重量和體積的增加。為解決增強(qiáng)磁場(chǎng)的同時(shí)永磁體用量和磁軛增加這一問(wèn)題,采用了HALBACH陣列的磁路結(jié)構(gòu)。

    HALBACH陣列是一種奇特的永磁體結(jié)構(gòu),即將不同充磁方式的永磁體按照特定規(guī)律排列,可實(shí)現(xiàn)永磁體一側(cè)增強(qiáng)磁場(chǎng),而在另一側(cè)減弱磁場(chǎng),同時(shí)優(yōu)化氣隙磁場(chǎng),使氣隙磁場(chǎng)更接近正弦波[6-8]。HALBACH陣列中每?jī)蓚€(gè)相鄰磁化矢量可存在90°、60°或者45°的夾角,對(duì)應(yīng)的每極永磁體塊數(shù)分別為2塊、3塊和4塊。兩個(gè)相鄰磁化矢量夾角為90°時(shí)的平面排列的HALBACH陣列圖,如圖3(a)所示。沿圓周排列的HALBACH陣列,每個(gè)磁極均由兩塊磁體組成,如圖3(b)所示。HALBACH陣列的磁場(chǎng)強(qiáng)度可通過(guò)理論式(3)可進(jìn)行計(jì)算[9]。

    圖3 HALBACH陣列Fig.3 HALBACH Array

    式中:Bm0—磁場(chǎng)的幅值;Br—永磁體的剩磁強(qiáng)度;β=2π/la,la是一對(duì)極的空間距離;nM—一對(duì)極包含的永磁體塊數(shù);hM—永磁體的厚度。理論上,永磁體塊數(shù)越多,HALBACH陣列產(chǎn)生的磁密波形正弦性越好,但會(huì)帶來(lái)永磁體的安裝和充磁的難度增加。

    采用的HALBACH陣列每極由2塊永磁體拼裝而成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,永磁體安裝定位和充磁容易,轉(zhuǎn)子磁路布置,如圖3所示。共采用20片永磁體,磁體厚度為3mm,充磁方向互差90°,每4片構(gòu)成一對(duì)磁極,組成一個(gè)5對(duì)極的永磁轉(zhuǎn)子。利用式(3),計(jì)算得到磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值為0.6T。

    采用HALBACH陣列后,電機(jī)轉(zhuǎn)子可以無(wú)需鐵軛,磁路結(jié)構(gòu),如圖4(a)所示。此時(shí)在磁陣列磁場(chǎng)減弱的一側(cè)僅存在不大的漏磁,可以用很薄的鐵片作為轉(zhuǎn)子的鐵軛,該鐵軛同時(shí)起到增強(qiáng)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和方便磁體安裝的作用,增加薄鐵軛后的電機(jī)磁路結(jié)構(gòu),如圖4(b)所示。采用有限元分析方法,對(duì)不同厚度轉(zhuǎn)子鐵軛時(shí)的電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算,得到當(dāng)軛鐵厚度為2mm時(shí),可獲得最佳的電磁效果,此時(shí)磁場(chǎng)分布,如圖5所示。電機(jī)有效磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng),轉(zhuǎn)子軛部未出現(xiàn)磁飽和,轉(zhuǎn)子外部的空氣中已沒(méi)有漏磁。

    圖4 HALBACH陣列電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)Fig.4 Motor Magnetic Structure with HALBACH Array

    圖5 增加鐵軛后的電機(jī)磁場(chǎng)分布Fig.5 Magnetic Field Distribution with Rotor Yoke

    3 樣機(jī)加工與測(cè)試

    對(duì)上述電機(jī)進(jìn)行試制,電機(jī)SMC鐵心采用赫格納斯公司的生產(chǎn)的SOMALOY 500軟磁復(fù)合鐵粉材料制作,利用其塊狀原料直接整體加工而成,加工過(guò)程中需要對(duì)加工的工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制,如進(jìn)行切削、車(chē)磨加工時(shí),刀頭的轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀速度、冷卻方式等都需要按照廠商的要求進(jìn)行,否則會(huì)對(duì)材料的電磁性能產(chǎn)生影響。此外,塊狀的SMC材料機(jī)械加工性能較普通金屬材料差,不當(dāng)?shù)募庸し绞綄⒑茈y保證其加工精度。當(dāng)批量加工時(shí),鐵心的制作宜采用SMC粉末壓鑄成型的工藝,可避免機(jī)加工過(guò)程對(duì)材料電磁性能的影響。電機(jī)測(cè)試性能,如表1所示。

    為減輕電機(jī)總體重量,電機(jī)外殼采用鋁合金材料。電機(jī)采用永磁無(wú)刷的控制方式,電機(jī)內(nèi)部安裝有三路霍爾傳感器,三路霍爾傳感器相互之間相差120°電角度,沿定子圓周方向固定,采用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)工作,測(cè)試中的電機(jī),如圖6(a)所示。

    圖6 測(cè)試中的電機(jī)和電動(dòng)工具Fig.6 Motor and Electric Mower in Test

    表1 電機(jī)測(cè)試性能Tab.1 Measured Performance of Motor

    將上述電機(jī)及其控制器應(yīng)用于電動(dòng)打草機(jī)中,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)打草頭旋轉(zhuǎn),進(jìn)行打草測(cè)試,電動(dòng)打草機(jī)實(shí)物,如圖6(b)所示。測(cè)得電動(dòng)打草機(jī)的綜合性能,如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明,開(kāi)發(fā)的電動(dòng)機(jī)具有體積小,重量輕,運(yùn)行效率高等特點(diǎn),電機(jī)適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合,而且電機(jī)轉(zhuǎn)速越高,優(yōu)勢(shì)越明顯,應(yīng)用于電動(dòng)工具中能獲得很好的實(shí)際效果。

    表2 電動(dòng)工具實(shí)測(cè)性能Tab.2 Measured Performance of the Electric Mower

    4 結(jié)論

    設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高速外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī),電機(jī)定子鐵心采用軟磁復(fù)合(SMC)材料制成,轉(zhuǎn)子采用HALBACH磁陣列結(jié)構(gòu),在有效地增強(qiáng)電機(jī)磁場(chǎng)的同時(shí),減輕電機(jī)轉(zhuǎn)子軛部的重量,使得電機(jī)的體積小、重量減小,高速運(yùn)行效率高。電機(jī)測(cè)試和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)很好地證明了以上設(shè)計(jì)方法的正確性,對(duì)高速電動(dòng)機(jī),特別是電動(dòng)工具用高速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)具有較好的借鑒意義。

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