直流無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能分析

袁啟毅

摘 要： 新時(shí)期，精密伺服裝置逐漸優(yōu)化，逐漸面向高端化方向發(fā)展。而直流無刷電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械，其憑借著高性能、高功率、長壽命等優(yōu)勢特征備受行業(yè)人士所重視，對其的研究也越來越多?；诖?，本文就直流無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和性能展開研究，首先介紹了該電動(dòng)機(jī)，其次對結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析，希望能夠幫助直流無刷電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞： 直流無刷電動(dòng)機(jī);結(jié)構(gòu);性能

【中圖分類號(hào)】TP351 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.178

普通有刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速啟動(dòng)性好，力矩大，但是電刷與換向器會(huì)對電動(dòng)機(jī)壽命、性能等方面產(chǎn)生嚴(yán)重影響，產(chǎn)生的火花也會(huì)干擾電子設(shè)備，且維護(hù)難度大。隨著科技的發(fā)展，直流無刷電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，傳統(tǒng)的電刷和換向器被電子開關(guān)線路和位置傳感器所取代，實(shí)現(xiàn)了直流無刷，這種電動(dòng)機(jī)不僅具備直流電動(dòng)機(jī)特征，同時(shí)也具有交流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢，能夠取代一般性的電動(dòng)機(jī)，在數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療化工等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

1 直流無刷電動(dòng)機(jī)介紹

無刷直流電動(dòng)機(jī)包括電子驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)兩部分，其是機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)定子繞組一般采用三相對稱星形接法，類似于三相異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子上配備了永磁體，主要用于檢測轉(zhuǎn)子極性，內(nèi)部配置了位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器包括功率電子器件、集成電路，能夠啟停電動(dòng)機(jī)，接受信號(hào)等。

無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器三部分。其中，定子含有鐵芯、機(jī)殼、電驅(qū)繞組三部分，轉(zhuǎn)子含有磁鋼、軸以及跟蹤轉(zhuǎn)子，位置傳感器含有印刷電路板與霍爾傳感器。普通的直流有刷電動(dòng)機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電樞驅(qū)動(dòng)的，其連接換向器與電刷在旋轉(zhuǎn)時(shí)促使電流換向。而直流無刷電機(jī)則是由旋轉(zhuǎn)磁鋼驅(qū)動(dòng)的，位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼和電樞相對相位關(guān)系檢測出來，之后進(jìn)行電流換向，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器邏輯變換控制電子開關(guān)，進(jìn)而達(dá)到換相效果[1]。電樞通過電子換相電機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行相似特性，極易對電機(jī)輸出進(jìn)行控制，且調(diào)速范圍也比較寬。通過高性能磁場所產(chǎn)生的氣隙磁場較長，進(jìn)而提升了電機(jī)功率，使得轉(zhuǎn)子損耗、定子發(fā)熱現(xiàn)象有所降低。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，同樣情況下，電動(dòng)機(jī)效率更高。但是，其極限轉(zhuǎn)速不會(huì)被機(jī)械換向所束縛，而是由軸承與電子元器件性能所決定，這就導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速以及功率密度大大提升。

2 直流無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能

2.1 定子。在硅鋼片疊加構(gòu)成的定子鐵芯槽中嵌有電樞繞組，但空心杯電機(jī)鐵芯無槽，此時(shí)，電機(jī)內(nèi)安裝繞組的難度大大降低，但是空心杯繞組制作困難，直流無刷電動(dòng)機(jī)可以使用空心杯，繞組難度較低，質(zhì)量和壽命更高。（1）鐵芯結(jié)構(gòu)。直流無刷電動(dòng)機(jī)鐵芯結(jié)構(gòu)分為整體式、拼裝式及鏈?zhǔn)饺N。其中，整體式就是一次成型的鐵芯，拼裝式則是拼裝形成的整體，其剩余的廢料比較少，對硅鋼帶的利用更高[2]。整體式的繞組嵌線工藝更為復(fù)雜。拼裝式與鏈?zhǔn)皆诶@組時(shí)，齒塊部位可以單獨(dú)繞線，自動(dòng)化機(jī)械的線圈排列更為整齊，不僅能夠提高滿槽率，同時(shí)也便于繞組散熱，能夠使電樞線圈邊長度縮短，節(jié)省材料。（2）繞組結(jié)構(gòu)。電機(jī)繞組的指標(biāo)之一就是每極每組槽數(shù)，槽數(shù)為整數(shù)時(shí)，繞組就是整數(shù)槽繞組，若是分?jǐn)?shù)，其就是分?jǐn)?shù)槽繞組。整數(shù)槽繞組的電機(jī)設(shè)計(jì)相對簡單，繞組系數(shù)更大，同樣情況下，該電機(jī)功率更大。分?jǐn)?shù)槽繞組中，無刷電機(jī)每極下槽數(shù)有所減少，使用少量大槽能夠替代多數(shù)量的小槽，縮減占據(jù)空間，提高槽滿率，能夠有效增強(qiáng)電機(jī)性能，擴(kuò)大短距以及分布效應(yīng)，促使反電動(dòng)勢波形中的正弦性得以改變[3]。此外，分?jǐn)?shù)槽繞組可以設(shè)計(jì)成集中繞組，使用自動(dòng)繞線機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繞線，能夠有效提升生產(chǎn)率，且采用拼裝式鐵芯也能夠節(jié)省材料，有效降低成本。

2.2 轉(zhuǎn)子。（1）轉(zhuǎn)子。直流無刷電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子包括磁鋼表貼式、插入式兩種。其中，表貼式就是使用特征膠水在鐵芯表面粘貼磁鋼，插入式是在鐵芯內(nèi)部插入磁鋼。（2）磁鋼常用類型為鐵氧體、鐵鈷以及釹鐵硼這幾種。鐵氧體包括注塑、燒結(jié)兩種，釹鐵硼包括粘結(jié)、燒結(jié)兩種。鐵鈷具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，但是價(jià)格高，鐵氧體價(jià)格低，無需處理就具有耐腐蝕性，但是磁性低，需要加厚，體積更大。而釹鐵硼的磁性強(qiáng)，價(jià)格便宜，在大功率永磁電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用十分廣泛，但是也需要進(jìn)行表面處理才能夠具有耐腐蝕性[4]。注塑鐵氧體十分特殊，多個(gè)磁極能夠?qū)崿F(xiàn)一體成型，適用于批量生產(chǎn)，粘結(jié)釹鐵硼與其特征相似，為增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性，需要采用斜磁，制造比較簡單。

2.3 驅(qū)動(dòng)器。直流無刷電動(dòng)機(jī)只有配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器才能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量決定了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行質(zhì)量。利用驅(qū)動(dòng)器對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢驗(yàn)的方式包括兩種，需要額外配置位置傳感器就是有感驅(qū)動(dòng)器，不需要額外配置驅(qū)動(dòng)器就是無感驅(qū)動(dòng)器，彼此特點(diǎn)不同。有感驅(qū)動(dòng)器通常為霍爾傳感器，其能夠迅速啟動(dòng)，力矩比較大，但是占據(jù)的空間也更大，受到高溫、干擾等不良影響會(huì)導(dǎo)致傳感器無法運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器無法運(yùn)行。無感驅(qū)動(dòng)器缺乏位置傳感器，其能夠利用間接檢測法對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行計(jì)算，典型的啟動(dòng)方式就是三段式啟動(dòng)[5]。在定位時(shí)，將脈沖注入到電機(jī)兩組繞組中，受到電機(jī)振動(dòng)影響，驅(qū)動(dòng)器會(huì)將檢測到的振動(dòng)情況以波形的方式反饋給另一組繞組，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子位置。但是，這種方法在負(fù)載慣量大的情況下不適應(yīng)，一般應(yīng)用在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的情況下。

2.4 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)安裝方便，其在上壓板上裝入，使用上下壓板摳腳進(jìn)口絕緣肩部，通過壓縮彈簧防止松動(dòng)。鏈?zhǔn)借F芯的安裝需要裝夾，且需要繞線加工，因此其需要的加工也編輯過奧，采用PBT槽絕緣創(chuàng)新，通過塑封注射成型，將塑封材料和鏈?zhǔn)借F芯結(jié)合起來。通過該工藝能夠保證機(jī)器和絕緣強(qiáng)度，產(chǎn)品也比較平整。12槽8極就是8個(gè)磁極使用表面貼片式，磁極磁場方向是徑向。12槽10極中，定子繞組開通狀態(tài)的有6個(gè)，其為一周期，每周期轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)90°，需要轉(zhuǎn)4個(gè)周期，分別分成了六個(gè)時(shí)間段。

結(jié)束語：近年來，普通的直流有刷帶動(dòng)農(nóng)機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢明顯，但是其受到電刷和換向器的影響，電動(dòng)機(jī)的使用壽命不長，性能也需要進(jìn)一步提高。為了解決直流有刷電機(jī)存在的問題，人們致力于尋找一種無須電刷和換向器就能夠運(yùn)行的直流電動(dòng)機(jī)，在電子技術(shù)的幫助下，直流無刷電動(dòng)機(jī)得到開發(fā)和利用。同時(shí)，直流無刷電動(dòng)機(jī)憑借著操作簡單、運(yùn)行和維護(hù)方便、性能強(qiáng)等優(yōu)勢特征得到了相關(guān)行業(yè)的認(rèn)可。在醫(yī)療、自動(dòng)化、數(shù)控等領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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