錢榮超，孫兆瓊

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

普通無刷力矩電動機轉(zhuǎn)子一般采用單定子結(jié)構(gòu)，單定子結(jié)構(gòu)簡單、便于加工安裝，但是整個轉(zhuǎn)子的直徑大、質(zhì)量重，即便做成空心軸結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動慣量也很大，嚴(yán)重影響無刷力矩電動機整體響應(yīng)速度和控制精度。本文研究的超低轉(zhuǎn)動慣量無刷力矩電動機采用雙定子結(jié)構(gòu)，即將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軛部脫離出來，成為內(nèi)定子，旋轉(zhuǎn)部分只有永磁體及其支架，可以大幅度地減小轉(zhuǎn)子的體積及質(zhì)量，由此降低轉(zhuǎn)動慣量，提高響應(yīng)速度。對于雙定子結(jié)構(gòu)力矩電動機，國外有一些品牌已經(jīng)形成了市場產(chǎn)品，但受到特殊結(jié)構(gòu)工藝的限制，機座號最大達到170 mm左右，這也影響了該種結(jié)構(gòu)電機的系列化發(fā)展。

本文從電磁、結(jié)構(gòu)、工藝三個方面來闡述一種更大直徑的超低慣量雙定子無刷力矩電動機，該結(jié)構(gòu)可以使無刷力矩電動機更緊湊、更快速，可以實現(xiàn)機座號50～500 mm的拓展。

1 原理分析

無刷直流力矩電動機是伺服系統(tǒng)中的一個執(zhí)行元件，可不經(jīng)齒輪減速而直接驅(qū)動負(fù)載。在位置系統(tǒng)中，它可工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；在速度系統(tǒng)中，它可工作在低速狀態(tài)，輸出大轉(zhuǎn)矩。無刷直流力矩電動機實質(zhì)上是一只繞組串聯(lián)的多對極的永磁式電動機，由于其性能和結(jié)構(gòu)上的特點，力矩電動機常做成具有較大內(nèi)孔的薄環(huán)形結(jié)構(gòu)。本文以機座號230 mm電機為例，重點分析雙定子結(jié)構(gòu)無刷直流力矩電動機的優(yōu)勢。

1.1 電機運行原理

通過驅(qū)動控制器，將直流電壓加到線圈上，導(dǎo)體中就有直流電流通過。按電磁定律，載流導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力，作用在線圈上的電磁力矩：

TXA=bilD(1)

式中：b為載流導(dǎo)體位置的磁密；i為導(dǎo)體中電流；l為載流導(dǎo)體長度；D為電樞直徑。導(dǎo)體中的電流隨驅(qū)動控制器按照一定規(guī)律控制繞組中電流通斷，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向一直保持不變，電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)[1]。

1.2 電樞繞組連接方式和電子換相

永磁無刷直流電動機的電樞繞組與一般交流電動機的定子繞組相類似，分星形連接繞組和封閉式連接繞組兩類。電子換相電路一般有橋式和非橋式兩類，不同連接方式的電樞繞組與不同電子換相電路的組合是多種多樣的[2]，本文采用方波驅(qū)動的三相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的電樞繞組連接和電子換相方式，位置傳感器采用霍爾傳感器，其速度伺服系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 方波驅(qū)動的速度伺服系統(tǒng)典型原理框圖[3]

1.3 磁路運行方式

普通無刷力矩電動機磁路為單定子結(jié)構(gòu)，本文研究的為雙定子結(jié)構(gòu)，兩者磁路的運行方式基本相同,如圖2所示；不同的是雙定子結(jié)構(gòu)存在內(nèi)外兩個氣隙，且由于機械結(jié)構(gòu)的限制，雙氣隙結(jié)構(gòu)電機總的能量轉(zhuǎn)換普遍大于同尺寸的單氣隙結(jié)構(gòu)電機。

(a) 單氣隙結(jié)構(gòu)

(b) 雙氣隙結(jié)構(gòu)

1.4 雙定子電機的優(yōu)勢

單、雙定子電機主要是由氣隙的不同而存在差異，理論上雙定子電機的特點及優(yōu)勢如下：

① 單定子電機只有一個運行氣隙，雙定子電機有兩個運行氣隙，分別分布在轉(zhuǎn)子的內(nèi)外兩側(cè)；

② 單定子電機的總氣隙尺寸小，雙定子電機的總氣隙尺寸大；

③ 單定子電機輸出力矩略大，雙定子電機的轉(zhuǎn)矩脈動更??；

④ 雙定子電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量可以做到很小(為單定子結(jié)構(gòu)的50%以下)，轉(zhuǎn)動慣量的減小，可以有效提高電機的控制精度、控制速度等指標(biāo)，在無刷控制和伺服控制系統(tǒng)中，都有優(yōu)越的表現(xiàn)，這是單定子結(jié)構(gòu)力矩電機無法達到的；

⑤ 雙定子電機的加工工藝難度較大，對零件加工、零部件裝配都有較高的精度要求。

2 單、雙定子電機有限元模型仿真分析

在尺寸相同、激勵相同的情況下，建立單定子無刷直流力矩電動機和雙定子無刷直流力矩電動機模型，對比兩電機各項性能。為了更好地區(qū)別兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，電機的主要尺寸選取一致：電機機殼外徑230 mm，電機電樞外徑220 mm，電樞內(nèi)徑160 mm，電機有效長度90 mm，單邊氣隙總長度1 mm。

2.1 單、雙定子無刷直流力矩電動機有限元分析

建立單、雙定子無刷直流力矩電動機Ansoft二維模型，計算電機的輸出力矩，分別如圖3、圖4所示，單、雙定子無刷直流力矩電動機的最小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量分別為0.036 kg·m2和0.017 kg·m2。

圖3 單定子結(jié)構(gòu)

圖4 雙定子結(jié)構(gòu)

2.2 兩種結(jié)構(gòu)電機的性能對比分析

通過轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動慣量(響應(yīng)速度)、輸出性能(轉(zhuǎn)矩脈動)、加工工藝三方面，對單定子、雙定子結(jié)構(gòu)電機性能進行分析。

2.2.1 轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動慣量(響應(yīng)速度)

兩種結(jié)構(gòu)電機選取相同的電樞直徑和長度，二者的轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動慣量如表1所示。

由于雙定子結(jié)構(gòu)的磁鋼為內(nèi)嵌式，可以將電機轉(zhuǎn)子做得更薄，在質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量上都具有絕對的優(yōu)勢。由表1可見，雙定子結(jié)構(gòu)電機的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量約為普通單定子結(jié)構(gòu)電機的一半；相同負(fù)載時，雙定子電機的角加速度為單定子結(jié)構(gòu)的2倍，應(yīng)用于伺服電機中，可以大幅度提高響應(yīng)速度。

表1 兩種結(jié)構(gòu)電機轉(zhuǎn)子自身轉(zhuǎn)動慣量比較

2.2.2 電機性能

相同尺寸的單、雙定子結(jié)構(gòu)電機的輸出性能基本相同，但是由于雙定子結(jié)構(gòu)存在內(nèi)、外兩個氣隙，使其輸出力矩略小一些，轉(zhuǎn)矩脈動也有所減小，如圖3、圖4所示。單定子結(jié)構(gòu)電機的平均輸出力矩為53.5 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為2.8%，雙定子結(jié)構(gòu)電機的平均輸出力矩為52.3 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為2.47%?？梢?，雙定子結(jié)構(gòu)電機的性能優(yōu)勢在于，犧牲2%的電機輸出力矩，從而得到了轉(zhuǎn)矩脈動降低12%、轉(zhuǎn)動慣量降低47.2%的控制性能，這是十分有利的。

2.2.3 加工工藝

同體積的雙定子電機，是在普通力矩電機轉(zhuǎn)子中將轉(zhuǎn)子軛和轉(zhuǎn)軸脫離出來，從而減小轉(zhuǎn)子部分的體積及質(zhì)量，其實物圖如圖5所示。但是，轉(zhuǎn)子上的永磁體體積是一定的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須保證永磁體支架的強度，永磁體與轉(zhuǎn)子的牢固性，轉(zhuǎn)子整體精度等，以上是實現(xiàn)雙定子電機的重點及難點。

圖5 雙定子結(jié)構(gòu)電機轉(zhuǎn)子及電機實物圖

轉(zhuǎn)子中最為重要的零件是轉(zhuǎn)子支架，轉(zhuǎn)子支架最好選用質(zhì)量輕、強度高、不易形變、不導(dǎo)磁(或?qū)Т判院懿?的材料，一般考慮硬鋁或者鈦合金。在圖5的薄形轉(zhuǎn)子支架內(nèi)部，開若干凹槽來安裝永磁體，凹槽的形狀與尺寸將直接影響整個轉(zhuǎn)子的機械強度、形變程度等重要機械因素。

選定轉(zhuǎn)子支架材料后，其工藝流程、加工手段、時效處理等步驟亦很關(guān)鍵：

(a) 工藝流程：需要經(jīng)過先車、再銑、后車的流程，在永磁體安裝后，還需要整體切削加工；

(b) 加工手段：重點提高加工精度，特別是在有強磁物質(zhì)時的精密加工；

(c) 時效處理：薄形結(jié)構(gòu)的變形問題不可避免，時效處理是釋放材料內(nèi)部應(yīng)力的最佳方法，多道時效處理可有效提高轉(zhuǎn)子支架的尺寸精度，有利于后續(xù)安裝。

3 雙定子電機機械強度仿真

雙定子電機在機械強度方面主要有兩個薄弱位置，分別是機殼(內(nèi)外定子連接位置)與轉(zhuǎn)子。由于雙定子電機是懸臂梁結(jié)構(gòu)，機殼起到了內(nèi)外定子鏈接的作用，當(dāng)電機如圖6放置時，由于重力作用，機殼的后端面容易產(chǎn)生形變；轉(zhuǎn)子支架為薄壁杯型結(jié)構(gòu)、嵌入的表貼式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最薄弱的位置只有0.2 mm左右，在電機承載轉(zhuǎn)矩時，整個轉(zhuǎn)子受到了很大的電磁力，從而容易變形，下面分別對機殼和轉(zhuǎn)子的機械強度進行ANSYS Workbench有限元仿真。

圖6是雙定子電機機殼(材料為硬鋁合金)機械強度仿真圖。在電機倒置時，內(nèi)外定子連接處是機殼機械強度最為薄弱的位置，材料最大承受的拉伸應(yīng)力為0.63 MPa，形變量很小，可以忽略不計，該設(shè)計可以滿足電機要求。

(a) 機殼最大受力時

(b) 機殼最大受力時

圖7是雙定子電機轉(zhuǎn)子杯(材料為鈦合金)機械強度仿真圖。電機正常運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子杯內(nèi)部最大剪切應(yīng)力為1.027 MPa，轉(zhuǎn)子周向形變量約為1.3×10-5mm，對于直徑230 mm的電機，該形變量很小，不會影響電機的材料性能和輸出性能。綜上，雙定子電機的機殼、轉(zhuǎn)子杯的機械強度可以滿足電機正常工作要求。

(a) 轉(zhuǎn)子杯運行時

(b) 轉(zhuǎn)子杯運行時

4 結(jié) 語

雙定子無刷直流力矩電動機最大的優(yōu)勢在于，該電機在保持優(yōu)越輸出性能的同時，大幅度降低了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量并降低了轉(zhuǎn)矩脈動。對于控制電機來說，轉(zhuǎn)動慣量的減小不僅可以提高控制精度，更可以大幅度提高控制速度，這在很多高端設(shè)備中是十分重要的。由于該結(jié)構(gòu)受到材料、工藝的限制，目前只能應(yīng)用于中小型電機。機基座號大于200 mm以上的電機，需要特種加工工藝及手段。本文的樣機結(jié)構(gòu)最大可以拓展到機座號500 mm的電機產(chǎn)品，在高精度的轉(zhuǎn)臺、機床等場合都有著廣泛應(yīng)用。