王民生（西安微电机研究所710077）

 

    【摘  要】针对标准组合拧紧系统对驱动电动机的要求，提出了大长细比高性能稀土无刷直流电动机的基本原理和结构，特别是混合式驱动的设计思想，并对其特性和设计特点进行了分析，给出了一些计算公式。

    【叙  词】无刷直流电动机稀土永磁材料／大长细比／混合式驱动原理设计

    随着稀土永磁材料和电子技术的发展，作为机电一体化的无刷直流电动机正在逐步取代传统的有刷直流电动机。无刷直流电动机除了保留有刷直流电动机的良好机械特性外．还具有众多的优点，用电子换向代替机械换向，从而可靠性高，便于高速运行，无电火花及电磁干扰，很少需要维护，特别适用于高真空、高气压、大振动、有害介质、易燃、易爆等为一般有刷直流电动机难于适应的恶劣环境。采用“里翻外”设计，电枢为定子（热源），同壳为一体，散热条件好；转子惯量小，响应快。近年来在汽车工业、航空工业等领域，一种全新的标准组合拧紧系统正在越来越多地被使用，作为该系统的电动执行机构，所用的无刷直流电动机，特别是大长细比的高性能稀土无刷直流电动机正在迅速增长，但目前国内所采用的基本上都是进口电机。本文根据标准组舍拧紧系统对电机及驱动器的要求，对适合该系统使用的大长细比高性能稀土无刷直流电动机进行分析。

   

    标准组合拧紧系统多用于汽车工业、航空工业等生产线，要求其驱动电机具有高的可靠性，且维修简单方便。在该系统中，通常一台电动机驱动一个板手头，一个板手头拧紧一个螺钉，由于螺钉孔位的限制，往往要求众多扳手头密集排列。为了减少不必要的变位装置，要求采用由扳手头、扭矩传感器、减速器、无刷直流电动机等联接而成的细长直杆式结构，如图1所示。为了提供足够大的拧紧力矩，所采用的无刷直流电动机不仅要具有大长细比的细长结构，而且应能输出大的力矩。由于高性能稀土永磁材料的应用和电子技术的发展，使得无刷直流电动机体积小、出力大，从而能更好地满足大长细比大力矩的设计要求，这是其它类型的电机较难办到的。为了提高系统的工作效率，要求螺钉在拧紧之前的拧进过程中能够快速拧进，另外该系统在控制方法上有扭矩控制、转角控制和屈服点控制。除第一种控制方法外，其余两种控制方法还需要电机传感器不仅能提拱电机换向信号，而且还能够提供一定精度的位置反馈信号。根据标准组合拧紧系统要求，设计的大长细比高性能稀土无刷直流电动机应有以下特点：

  a．可靠性高、寿命长、维修简单方便。

  b．呈大长细比的细长结构，体积小、效率高。

  c．低速时能输出大力矩，过载能力强。

  d．轻载时能高速运转，速度范围宽。

  e．转子惯量小，响应快。

  f．能提供一定精度的转角位置信号。

   传统的无刷直流电动机结构形式较多，在本方案中，由于系统的特殊要求，使得设计时不能直接借用传统的设计方法，而采用了一种新方案——混合式驱动方案，如图2所示，定子为三相y连接，中线引出。运行状态分为两段，如图3所示，轻载高速区(i区)为单相导通三状态运行，驱动器内功率晶体管导通角为120度，导通顺序为a₀、b₀、c₀；低速大力矩区（ⅱ、ⅲ区）为两相导通六状态运行，功率晶体管导通角仍为120度。本方案在电机体积小的条件下，既满足了低速时的大力矩要求，同时又满足了轻载时的高转速要求，发挥了机电一体化的优势，体现了高效率、高出力体积比、宽速度范围等特点。

       在图3中，界限1-第一速度界限，界限2-状态切换界限，界限3-第二速度界限，界限4-连续工作发热界限，界限5-间歇工作发热界限，m,额定力矩，地峰值力矩，tlmax-****转速，i区——轻载连续工作区，ⅱ区——低速大力矩连续工作区，皿区——低速大力矩间歇工作区。在ii区内任何一点，电机都可长期运行，但在ⅲ区，只能短时运行。