彈用永磁直流力矩電機高頻波動的優(yōu)化設(shè)計

王永嘉, 郭建寧, 張?zhí)争i, 楊小青

(陜西航天時代導航設(shè)備有限公司, 陜西 寶雞 721300)

0 引言

永磁直流力矩電機因其控制簡單、可靠性高、力矩系數(shù)大等優(yōu)點,成為導彈及其他武器裝備伺服系統(tǒng)中首選的動力元件、執(zhí)行機構(gòu)[1]。

目前,彈用永磁直流力矩電機主要采用有刷結(jié)構(gòu)。有刷電機在換向時會產(chǎn)生換向火花,火花向四周輻射,一部分能量將反饋回電源導線上,具體表現(xiàn)為感應電壓和電流的波動。在系統(tǒng)高采樣頻率時,這種電壓和電流的高頻波動將更加明顯,從而引起強烈的電磁干擾[2],影響系統(tǒng)中其他電子設(shè)備的正常工作。因此,必須采取措施抑制電機的換向火花,從而達到抑制感應電壓和電流高頻波動的目的。

在描述換向火花現(xiàn)象方面,文獻[3-4]研究了直流電機換向時產(chǎn)生換向火花的過程和細節(jié)。文獻[5]提出一種耦合電路的方法,建立了電機換向器換向時的廣義模型,用以換向過程,為探索換向火花的產(chǎn)生原因提供依據(jù)[6]。文獻[7]提出一種狀態(tài)變量分析建模技術(shù),能夠?qū)﹄姍C換向現(xiàn)象進行詳細的說明和高精度的分析,有助于解決電機的換向火花問題。

針對永磁直流電動機,文獻[8]提出通過調(diào)整電刷壓力、采用不同的極弧系數(shù)和繞組形式的方法抑制換向火花。文獻[9]從電氣性能和機械性能方面研究了換向器質(zhì)量對電機換向性能的影響,并通過換向火花的程度對此進行評價。文獻[10]通過在電刷和換向器接觸面上分布特定的導電率抑制電機的換向火花。文獻[11]通過增加補償繞組改善磁通的分布,并通過控制電機的工作模式使換向性能達到最佳。文獻[12]使用高電阻率的分瓣電刷并優(yōu)化氣隙等參數(shù)有效地消除了電機的換向火花。文獻[13]提出選擇合適的壓敏電阻,并在設(shè)計、加工和裝配時保證換向器的圓度、段差等尺寸,能夠有效減小換向火花。

相比于永磁直流電機,更多的文獻研究如何改善串勵電機的換向火花問題,串勵電機屬于直流電機的一種,抑制串勵電機換向火花的方法為抑制永磁直流電機換向火花提供了參考。文獻[14]通過優(yōu)化換向極繞組匝數(shù)和電刷寬度參數(shù)有效抑制了直流發(fā)電機的換向火花。文獻[15]通過向逆旋轉(zhuǎn)方向偏置電刷,減小換向元件中的電抗電動勢,從而減小串勵電機的換向火花。文獻[16]通過增加電機的極數(shù),即增加電樞繞組的并聯(lián)支路數(shù),使電樞繞組的電流和電動勢減小一半,從而改善電機的換向性能。文獻[17]通過調(diào)整換向極第二氣隙,使旋轉(zhuǎn)電勢與電抗電勢相互抵消的方法減少調(diào)整換向極氣隙次數(shù),改善電機的換向性能。文獻[18]通過偏轉(zhuǎn)電刷位移角度等措施,減小換向電流從而抑制電機的換向火花。文獻[19]提出選擇合適的安匝比、氣隙長度和電刷偏移角來有效改善四極單相串激電機的換向性能。文獻[20]表明采用不均勻氣隙、電樞線圈短距結(jié)構(gòu),換向器雙鉤、逆旋轉(zhuǎn)方向偏移電刷,能夠有效改善串勵電機的換向性能。文獻[21]在電刷中加入了凝碳成分,限制了碳粉在大電流狀態(tài)下的磨損,避免了引出電流而釋放能量,抑制了火花的產(chǎn)生。

綜上所述,抑制直流電機換向火花的方法一般為調(diào)整氣隙、偏移電刷位置、選擇合適的安匝比與槽極數(shù)和提高電刷頭的耐磨性,本質(zhì)上都是為了減少換向過程中產(chǎn)生的電流和電動勢。

以上文獻對抑制永磁直流力矩電機的換向火花、改善電機的換向性能具有一定的參考意義。但在實際制造過程中,由于工藝技術(shù)、空間尺寸、加工能力等各種現(xiàn)實因素的制約,電機性能的實際表現(xiàn)與理論預期結(jié)果總存在一定差距,尤其是微特電機,由于其本身尺寸較小,對空間尺度的設(shè)計要求更加嚴格。因此如何在現(xiàn)有加工能力的基礎(chǔ)上對微特電機進行優(yōu)化設(shè)計,使其能夠滿足規(guī)定的各項技術(shù)指標,還需要更加深入的研究。

本文研究對象為彈用永磁直流力矩電機,屬于微特電機領(lǐng)域,為抑制其換向火花所產(chǎn)生的高頻波動,使電機滿足感應電壓和電流的高頻波動指標要求,提出一種結(jié)合虛槽設(shè)計和優(yōu)化電刷組件的優(yōu)化設(shè)計方法,通過仿真和實驗測試驗證了所提出的設(shè)計方法的有效性。

1 影響高頻波動的因素

1.1 高頻波動指標要求

彈用永磁直流力矩電機如圖1所示,其高頻波動指標要求為:電機通27 V電壓,空載運行時測試電樞電流及感應電壓,示波器帶寬不小于100 MHz,電流波動峰峰值200 mA,感應電壓波動峰峰值≤2 V。

圖1 永磁直流力矩電機Fig.1 Permanent magnet DC torque motor

1.2 高頻波動的產(chǎn)生機理

高頻波動電壓和電流主要由直流電機換向過程不穩(wěn)定引起,而直流電機的換向過程是復雜的電磁、機械、化學、熱力學等多因素相互影響的過程,但換向的電磁變化是其主要因素。

分析換向過程的電磁變化,直流電機換向元件中的電動勢∑e為

∑e=ek+er

(1)

式中:ek為換向元件的旋轉(zhuǎn)電動勢;er為換向元件的電抗電動勢。ek和er可表示為

ek=2NyBklva

(2)

(3)

式中:Ny為換向元件的匝數(shù);Bk為換向區(qū)域內(nèi)磁場的磁通密度;l為換向元件的元件邊長度;va為電樞表面線速度;λ為等效比漏磁導;i為換向電流;t為時間。

換向電流i可表示為

(4)

式中:ia為電樞導體中的電流;Tk為換向周期;Ee為換向電壓;R′b為換向回路串聯(lián)總電阻;iL為直線換向電流分量;ik為附加換向電流分量。

換向回路串聯(lián)總電阻R′b可表示為

(5)

式中:Rb為整流片與電刷的接觸電阻。

在理想情況下,ek和er大小相等、方向相反,∑e≈0 V,附加換向電流分量ik=0 A,換向電流中只有直線換向電流分量,電機換向良好。但現(xiàn)實情況中∑e≠0 V,ik≠0 A,因此在換向過程中電刷下可能產(chǎn)生火花,導致?lián)Q向不良。

2 抑制高頻波動的優(yōu)化設(shè)計方案

由高頻波動產(chǎn)生的機理可知,換向火花是產(chǎn)生高頻波動、引起電磁干擾的主要原因,要抑制高頻波動,應改善電機的換向功能,減少換向火花。因此可從減小換向電流ik和優(yōu)化電刷組件結(jié)構(gòu)兩個方面進行研究。

從電磁角度分析換向過程,要改善電機的換向功能必須減小ik。由式(4)可知,減小ik可以通過減小換向元件中的電動勢∑e和增加換向回路串聯(lián)總電阻R′b來實現(xiàn)。

由式(1)～式(3)可知,減小換向元件中的電動勢∑e有以下途徑:

1)減小元件匝數(shù)Ny;

2)減小換向區(qū)域內(nèi)磁場的磁通密度Bk;

3)減小換向元件的元件邊長度l;

4)減小電樞表面線速度va;

5)減小等效漏磁導比λ;

6)在換向區(qū)域內(nèi)建立一個適當?shù)耐獯艌?使換向元件內(nèi)產(chǎn)生適當大小的的旋轉(zhuǎn)電動勢ek,用以抵消er,具體辦法是安裝換向極和移動電刷位置。

在上述途徑中,移動電刷位置會導致電機轉(zhuǎn)速上升,另外電抗電動勢er隨負載變化,電刷位置需隨負載變化而調(diào)整,因此該辦法不適用。本文研究的電機屬于微特電機范疇,其特點為尺寸小、空間受限,因此無法安裝換向極。

綜合考慮電機的性能指標、可操作性、成本控制等方面因素,選擇通過設(shè)計虛槽減小換向元件匝數(shù),進而減小換向元件中的電動勢∑e,達到減小換向電流ik的目的。

2.1 虛槽設(shè)計

在電機設(shè)計中,首先要考慮滿足電機的空載轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)電流等指標要求,因此當減少換向元件匝數(shù)時,必須增加元件個數(shù),以保證電機的總導體數(shù)基本不變。但由于電機尺寸很小,若電樞沖片的槽數(shù)過多,則會導致加工困難,因此通過虛槽設(shè)計使分布在極面下的導體數(shù)增多,以達到增加元件數(shù)的目的。

對于單波繞組,其虛槽數(shù)、元件個數(shù)(整流片數(shù))和整流子節(jié)距須滿足:

(6)

式中:y為電樞繞組的合成節(jié)距,且必須為整數(shù);yk為整流子節(jié)距;K為整流片個數(shù);p為極對數(shù);μ為虛槽數(shù);Z為電樞槽數(shù)。

彈用永磁直流力矩電機采用實槽設(shè)計,其電樞槽數(shù)為39。若采用虛槽設(shè)計,則根據(jù)式(6),虛槽數(shù)為2(μ=2)、元件數(shù)大于39的電樞槽數(shù)取值如表1所示?？紤]到元件數(shù)增加,即整流片數(shù)增加,整流子與點數(shù)繞組的焊接存在一定難度,表1中僅列舉元件數(shù)小于100的槽數(shù)。

表1 電樞槽數(shù)(μ=2)

直流力矩電機的電參數(shù)基本公式為

(7)

式中:Ta為峰值堵轉(zhuǎn)力矩(由性能指標規(guī)定);Bδ為氣隙磁密;Na為有效工作元件總匝數(shù);ia為電樞導體中的電流,對于單波繞組,并聯(lián)支路數(shù)為2,ia等于峰值堵轉(zhuǎn)電流的一半(由性能指標規(guī)定);La為鐵芯長度;Da為電磁轉(zhuǎn)矩計算直徑。

直流力矩電機的磁路計算公式為

∑F=Fδ+Ft2+Fj1+Fj2+Fd

(8)

式中:Fδ為氣隙磁勢;Ft2為齒磁勢;Fj1為定子軛部磁勢;Fj2為轉(zhuǎn)子軛部磁勢;Fd為電樞去磁磁勢。

式(7)與式(8)中的參數(shù)與電機本體的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),例如齒寬、定子內(nèi)外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑、定子軛部高度、轉(zhuǎn)子軛部高度、鐵芯長度和氣隙尺寸等。

由于本文研究對象屬于微特電機,結(jié)構(gòu)尺寸受限,考慮到轉(zhuǎn)子沖片加工工藝和繞組下線工藝的可行性,結(jié)合式(7)、式(8)和工程經(jīng)驗,選定合適的電樞槽數(shù),最終生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子如圖2所示。

圖2 虛槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.2 Structure design of virtual-slot rotor

當采用實槽時,直流力矩電機整流子由管料黃銅加工為一體式,如圖3(a)所示,槽數(shù)與元件數(shù)和整流片數(shù)相等。當虛槽為2時,元件數(shù)為槽數(shù)的 2倍,因此采用傳統(tǒng)的整流子結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)虛槽繞組的焊接。針對虛槽結(jié)構(gòu)設(shè)計出一種在換相器內(nèi)孔加工出與元件數(shù)相等且可實現(xiàn)焊接與固定的V形齒槽結(jié)構(gòu),如圖3(b)所示,與傳統(tǒng)直流力矩電機整流子在接線柱端焊接的方式不同,虛槽結(jié)構(gòu)將焊接位置設(shè)計在整流子內(nèi)壁的V形齒槽上,且V形齒槽結(jié)構(gòu)不僅提高了焊接可靠性,還可以使轉(zhuǎn)子灌膠后實現(xiàn)儲膠固封。

圖3 整流子結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of commutator structure

虛槽電機相比于傳統(tǒng)的實槽電機,其轉(zhuǎn)子成形工藝也存在一定難度。傳統(tǒng)的實槽電機的轉(zhuǎn)子成形工藝為下線→安裝整流子→焊線→繞組整形→灌膠→車外圓。但虛槽電機在下線之后,由于整流子內(nèi)壁存在V形齒槽,直接安裝整流子會導致V形齒槽與繞組干涉或接觸繞組端部,導致無法安裝到位或摩擦、擠壓繞組,對絕緣線皮產(chǎn)生微小的、不易察覺的破壞。若繞組絕緣被破壞,則焊線之后檢測電樞電阻時只能發(fā)現(xiàn)電阻異常,卻無法查明原因,導致產(chǎn)品的成品率較低。

因此虛槽電機在下線之后需要增加一道“繞組初整形”的工序,此工序需要將繞組端部收縮并降低一定高度,給整流子的V形齒槽留出安裝的空間余量,保證整流子能夠正常安裝,轉(zhuǎn)子容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)。此道工序需要制作工裝,設(shè)置限位并設(shè)置一個合理的繞組端部收縮距離。若收縮距離過大,則繞組的絕緣線皮可能被破壞,導致電樞電阻異常;若收縮距離過小,則安裝整流子時依然會存在摩擦或擠壓繞組的情況。如何把握初整形的收縮距離,是此道工序的難點。

2.2 電刷組件優(yōu)化

電機在加工制造或運行維護不理想的情況下,換向火花問題將更加嚴重。為改善電刷與整流子的穩(wěn)定性,有效抑制換向火花,提出調(diào)整刷架結(jié)構(gòu)、電刷壓力的優(yōu)化設(shè)計方案,對電刷頭材料進行優(yōu)選,并改進電刷磨合工藝,提高電刷與整流子接觸壓力的一致性。

2.2.1 刷架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的電刷組件采用鉚釘鉚接的方式固連彈簧片和刷架,但彈簧片鉚接之后會產(chǎn)生細微形變,導致電刷頭的共面性差。

優(yōu)化電刷組件,刷架采用插槽式結(jié)構(gòu),避免彈簧片安裝過程中產(chǎn)生形變,保證電刷頭的共面性,具體成型工藝如下:

1)將電刷頭與彈簧片完成焊接,形成電刷組件;

2)將帶有電刷頭的彈簧片插入刷架插槽內(nèi),用雙酚環(huán)氧膠將彈簧片與刷架固定,保證4個電刷頭共面;

3)在預留焊線空位置完成引出線焊接,并對焊點密封。

2.2.2 彈簧片優(yōu)化

彈簧片的壓力值是影響電機性能的重要因素之一,壓力過大,會使電機啟動困難,啟動電壓增大;壓力過小,電刷與整流片貼合穩(wěn)定性差,電機在運行時將出現(xiàn)跳動,運行不平穩(wěn),因此適宜的電刷壓力能改善高頻電壓及電流,使波形幅值更小,運行更加平穩(wěn)。

因此,為抑制高頻波動,在優(yōu)化彈簧片設(shè)計時,要求彈力為50g±5g,且在彈簧片鍍銀前,使用測克計測試簧片壓力,篩選出壓力合適的簧片,確保彈簧片滿足工作狀態(tài)的壓力指標。

2.2.3 電刷頭材料優(yōu)選

在工程實踐中,電刷頭材料一般選用銀石墨。在設(shè)計之初選用J385銀石墨作為電刷頭材料,其特點為電阻率低、壓降小、硬度高,有利于降低電樞電阻。但在電機實驗測試階段發(fā)現(xiàn)J385銀石墨對火花抑制效果有限,由此引起的高頻波動對電機性能產(chǎn)生的影響較大,無法滿足性能指標要求。

因此,再次選取J325、J350、J360共3種銀石墨材料進行性能測試實驗,實驗結(jié)果如表2所示。

表2 3種銀石墨材料性能對比

各個參數(shù)對電機性能影響如下:

1)由于電刷頭與整流子直接接觸,其電阻率大小影響電機的電樞電阻,要選擇電阻率較低的材料以降低電樞電阻,且電阻率較低的材料其壓降也較低,能夠降低電機的啟動電壓,提升電機性能。但電阻率太低又無法滿足高頻波動的技術(shù)指標要求,因此需要選擇合適牌號的材料以滿足電機的各項指標要求。

2)由于電刷頭體積較小,且已有電機的質(zhì)量與指標要求相比還存在較大余量,3種材料的密度都能夠滿足設(shè)計要求。

3)3種材料摩擦系數(shù)差別較小,對電機性能影響較小,都能夠滿足設(shè)計要求。

4)電機旋轉(zhuǎn)時,電刷頭會產(chǎn)生磨損,在整流子表面留下一層碳粉,碳粉具有黏滯特性,堆積過多會產(chǎn)生阻力,影響電機的啟動電壓,此外碳粉堆積也會影響電機的絕緣性能,因此需要定期對轉(zhuǎn)子進行維護。另外,電刷頭磨損過快,也需要及時更換電刷組件,增加成本。

綜上所述,結(jié)合工程經(jīng)驗,決定選用J350銀石墨作為電刷頭材料。

2.2.4 電刷磨合

電刷頭與整流子貼合面積大小、貼合是否緊密,也是影響電機的高頻波動指標的重要因素,因此電刷組件生產(chǎn)完成后還需要對電刷進行磨合。

現(xiàn)有工藝在磨合電刷時,存在以下問題:

1)電刷頭表面出現(xiàn)掉渣、碎裂現(xiàn)象;

2)電刷頭磨削量不一致,電刷頭厚度不均勻,磨合面積差異較大;

3)電刷無法固定,上機磨削時電刷位置會產(chǎn)生偏移,導致磨削效果不理想。

通過總結(jié)現(xiàn)場磨合電刷的工藝操作路線,對電刷磨合工藝進行改進,具體方案如下:

1)電刷組件裝配前,對電刷進行壓力測試,保證彈簧片壓力一致;

2)設(shè)計電刷跑和工裝,將電刷固定于工裝上,由電機帶動模擬轉(zhuǎn)子——砂輪,對電刷進行磨合;

3)在一定轉(zhuǎn)速下進行正、反向跑和,觀察電刷打火現(xiàn)象。

采用此種電刷磨合裝置,操作性強,研磨效率高,產(chǎn)生的碳粉在電機外部,不會影響電機的絕緣性能。

此外,在設(shè)計電機零件時需要預留尺寸,保證組件加工與裝配。在加工時需注意保持定、轉(zhuǎn)子的同軸度,有利于電刷和整流子的接觸面形成較好的氧化膜,改善換向。綜合采用這些措施可以改善高頻波動指標。

3 仿真分析及實驗驗證

3.1 仿真分析

在電磁場仿真分析軟件MagNet中分別對實槽和虛槽(μ=2)兩種方案進行建模,轉(zhuǎn)子鐵芯選用1J21鐵鎳軟磁合金;定子軛采用電工純鐵DT4C材料,經(jīng)氫氣退火后磁性能B5 000>1.7 T;磁鋼采用釹鐵硼NNF40SH材料,剩磁Br≥1.28 T,矯頑力Hcb≥965 kA/m。

將電機設(shè)置為1 200 r/min轉(zhuǎn)速驅(qū)動,用Transient 2D with motion求解器進行求解,得到單個元件的反電勢。當元件的兩個元件邊均在極下時,采用實槽方案感應電動勢幅值平均為1.893 V,采用虛槽(μ=2)感應電動勢為1.121 V,如圖4所示。

圖4 感應電動勢Fig.4 Induced electromotive force

仿真結(jié)果表明,虛槽設(shè)計使感應電動勢減少了約40%,采用虛槽設(shè)計抑制電機高頻波動是可行的。

3.2 實驗驗證

按照設(shè)計實驗方案進行兩組實驗,分別驗證虛槽設(shè)計及刷架組件優(yōu)化后對電機高頻波動的影響。實驗I分別對實槽和虛槽(μ=2)電機進行高頻波動實驗測試,實驗II分別對電刷組件優(yōu)化前后的電機進行高頻波動測試,實驗過程如圖5所示。

圖5 測試平臺Fig.5 Test platform

實驗方法為:給電機通27 V電壓,電機空載運行,設(shè)置示波器帶寬不小于100 MHz,時間軸400 ns/格,觀察電流波動峰峰值,用1根20 cm長導線從電機軸孔穿出,示波器探頭高端接導線,低端接機殼,觀察感應電壓波動峰峰值,將導線從電流鉗中通過,觀察電流波動的峰峰值。

3.2.1 實驗I:實槽與虛槽電機的高頻波動實驗對比

對5組實槽電機和虛槽電機進行實驗,結(jié)果如圖6所示,實驗測試數(shù)據(jù)如表3和圖7所示。

圖6 高頻波動測試結(jié)果Fig.6 Test results of high frequency fluctuations

圖7 實驗I高頻數(shù)據(jù)值分布圖Fig.7 Distribution of high-frequency data values in Experiment I

表3 實驗I測試數(shù)據(jù)

由表3和圖7可知,實槽電機感應電壓波動峰峰值和電流波動峰峰值均不符合指標要求,且數(shù)據(jù)跳動較大,穩(wěn)定性差。采用虛槽設(shè)計,電機的感應電壓波動峰峰值平均值降低了59.11%,電流波動峰峰值平均值降低了58.27%,且能夠增強感應電壓與電流波動的穩(wěn)定性。虛槽電機實測高頻波動指標中電流波動峰峰值最大值為220 mA,感應電壓波動峰峰值最大為2.28 V,接近指標要求。

實驗Ⅰ結(jié)果表明,虛槽設(shè)計確實能夠顯著改善電機高頻波動問題,與仿真分析結(jié)果一致,但電機還是沒有達到指標要求。5組數(shù)據(jù)中,虛槽電機感應電壓波動最大值與最小值之差為0.44 V,是性能指標規(guī)定電壓的22%;高頻電流最大值與最小值之差為64 mA,是性能指標規(guī)定電流的32%,因此高頻波動值的穩(wěn)定性還需要進一步增強。

3.2.2 實驗Ⅱ:虛槽電機優(yōu)化電刷組件前后的高頻波動實驗對比

對5組刷架組件優(yōu)化前后的虛槽電機進行實驗,如圖8所示,實驗測試數(shù)據(jù)如表4和圖9所示。

圖8 虛槽電機優(yōu)化刷架組件后高頻波動測試結(jié)果Fig.8 High-frequency fluctuation test results after optimization of virtual-slot motor brush components

圖9 實驗II高頻數(shù)據(jù)值分布圖Fig.9 Distribution of high-frequency data values in Experiment II

表4 實驗II測試數(shù)據(jù)

通過對刷架組件優(yōu)化前后測試數(shù)據(jù)的比對,刷架組件優(yōu)化前電機電流波動峰峰值和感應電壓波動峰峰值在指標要求臨界點,刷架組件優(yōu)化后電機電流波動峰峰值和感應電壓峰峰值均滿足指標要求。

實驗II結(jié)果表明,虛槽電機優(yōu)化刷架組件后,電機的感應電壓波動峰峰值平均值降低38.44%,電流波動峰峰值平均值降低44.34%。在5組數(shù)據(jù)中,感應電壓最大值與最小值之差為0.16 V,是性能指標規(guī)定電壓的8%,電流最大值與最小值之差為20 mA,是性能指標規(guī)定電壓的10%,高頻波動值更趨于穩(wěn)定。

結(jié)合實驗I的實驗結(jié)果,優(yōu)化刷架組件后的虛槽電機相比于原始狀態(tài)的實槽電機,其感應電壓波動峰峰值平均值降低了75.23%,電流波動峰峰值平均值降低了76.77%。

由此可見,虛槽設(shè)計和電刷組件優(yōu)化設(shè)計能夠有效地抑制永磁直流力矩電機的高頻波動。

4 結(jié)論

為解決彈用永磁直流力矩電機的高頻波動問題,抑制感應電壓和電流的產(chǎn)生及波動,本文通過對高頻波動產(chǎn)生的機理分析,提出虛槽設(shè)計方法和電刷組件的優(yōu)化設(shè)計方法。得出以下主要結(jié)論:

1)采用虛槽設(shè)計方法設(shè)計的整流子需要在內(nèi)壁加工一個V形齒槽,以提高焊接可靠性,實現(xiàn)轉(zhuǎn)子灌膠后的儲膠固封,在轉(zhuǎn)子成型工藝中需增加一道“繞組初整形”工序,以提高成品率。

2)將刷架結(jié)構(gòu)設(shè)計為插槽式,能夠保證電刷頭的共面性,在彈簧片成型工藝中加入壓力測試,能夠保證彈簧片壓力一致性,經(jīng)過對3種材料的試驗測試,優(yōu)選J350銀石墨為電刷頭的生產(chǎn)材料并改進電刷磨合工藝。

3)實驗測試結(jié)果顯示,虛槽設(shè)計使電流波動峰峰值和感應電壓波動峰峰值降低了約60%,與仿真結(jié)果一致,優(yōu)化電刷組件后,感應電壓波動峰峰值和電流波動峰峰值再次降低約40%。

4)相比于采用實槽設(shè)計的永磁直流力矩電機,結(jié)合虛槽設(shè)計和電刷組件優(yōu)化的設(shè)計方法,使電機的感應電壓波動峰峰值降低75.23%,電流波動峰峰值降低76.77%,能夠有效抑制高頻波動,提高穩(wěn)定性。

5)針對永磁直流力矩電機,尤其是微特電機領(lǐng)域的永磁直流力矩電機的高頻波動問題,本文在工程實踐上提供了可行方案,具有一定的參考意義。