定子鉸鏈式無刷電動機的特點及其性能
陳杰，趙振奎，徐剛
(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：介紹了一種便于規模化生產的定子鉸鏈式結構無刷電動機及其特點，利用有限元仿真軟件對電機參數進行了合理設計，從而獲得了正弦性較好的反電勢波形，并通過有限元仿真計算了電機轉矩波動。試驗結果表明，該電機采用正弦波電流驅動控制，具備了較好的伺服控制性能，為不同精度的伺服驅動應用場合提供了一個選擇。
關鍵詞：定子鉸鏈式；永磁無刷電動機；有限元仿真；正弦波電流驅動
中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)04—0011一112
引 言
永磁無刷電動機由于具有結構簡單、運行可靠、維護方便等特點，在工業自動控制、交通運輸以及現代武器裝備等各種領域中得到了越來越廣泛的應用。按電機繞組內驅動電流的不同，可分為方波驅動型和正弦波驅動型，其中繞組驅動電流為方波的稱方波驅動型無刷電動機(BLDcM)；繞組驅動電流為正弦波的稱正弦波驅動型無刷電動機(PMsM或Ac motor)。對于方波驅動和正弦波驅動無刷電動機的區別和優缺點，許多文獻都進行了論述，普遍認為方波驅動無刷電動機較明顯的不足之處是轉矩波動；而對應方波驅動無刷電動機而言，正弦波驅動無刷電動機具有運行平穩、調速比寬和控制精度高等特點，但成本也較高[1]。文獻[1]同時提出“正弦波驅動是發展方向”，因此，應結合不同的應用場合，研究和開發較為經濟的正弦波驅動無刷電動機。本文介紹一種較為經濟的正弦波電流驅動無刷電動機。該電動機定子采用鉸鏈式結構，并采用集中繞組形式，避免了采用分布式繞組電動機繞線不便進行規模化生產、定子沖片的利用率也較低的缺點，降低了制造成本。同時通過對電機定、轉子參數的合理設計，該型電機獲得了正弦性較好的反電勢，配上高精度的旋轉變壓器作為位置傳感器后，通過正弦波電流驅動控制，該電機在獲得意效率和高出力的同時，具有較寬轉速控制范圍和較高的控制精度。
1鉸鏈式無刷電動機的設計及其特點
鉸鏈式無刷電動機產品的性能指標要求為：額定電壓300V，輸出功率750 w，額定轉速3000 r／min。同時要求調速范圍寬、運行平穩。為此，在電機設計時考慮通過獲得恒定的電磁轉矩來實現。
1．1無刷電動機電磁轉矩恒定時的反電勢波形要求
本項目設計為三相，若三相無刷電動機各相繞組反電勢瞬時值分別用ua、ub和uc表示，電流瞬時值分別用ia、ib和ic表示，則在給定角速度mr不變條件下，只要能使：
就可以獲得恒定、且無脈動的電磁轉矩。通常電動機的三相繞組是對稱的，ua、ub和uc的波形幅值是；相同的，只是相位不同，ia,ib和ic也一樣。由電機原理可知，三相無刷電動機采用正弦波驅動就可滿足式(1)的要求。
因此，我們將電機繞組反電勢波形設計為正弦波，同時驅動電流也為正弦波，即可滿足式（1），使電磁轉矩保特恒定。
1．2結構設計及特點
為使電機在獲得正弦反電勢波形的同時，有利于自動化生產，我們從電機結構和參數兩方面進行設計和考慮。
鉸鏈式無刷電動機定子鐵心是由與槽數相同的分段鐵心拼接組合而成，類似于整體式結構在圓周上分割了相應的鐵心塊，具體如圖1所示。而分塊的鐵心則由一定數量的T形沖片組成，T形沖片包括了分段的齒部和軛部，如圖2所示。
定子繞組設計為集中繞組，可方便地采用自動化繞線機機繞的方式將線圈繞在分段鐵心上，不同的鐵心拼接后壓人機殼即為電機的定子。本文設計為12槽10極，圖3為帶繞組的分段定子鐵心及拼裝后的定子。
這種結構除可利用機器繞線代替手工進行分布式繞組下線外，可減小鐵心沖片的尺寸，對沖片原材料的利用率也大大提高，甚至還可用一些邊角料進行。
轉子部分采用表貼式結構，并選取合適的極弧寬度。
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