定子铰链式无刷电动机的特点及其性能
陈杰，赵振奎，徐刚
(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：介绍了一种便于规模化生产的定子铰链式结构无刷电动机及其特点，利用有限元仿真软件对电机参数进行了合理设计，从而获得了正弦性较好的反电势波形，并通过有限元仿真计算了电机转矩波动。试验结果表明，该电机采用正弦波电流驱动控制，具备了较好的伺服控制性能，为不同精度的伺服驱动应用场合提供了一个选择。
关键词：定子铰链式；永磁无刷电动机；有限元仿真；正弦波电流驱动
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2010)04—0011一112
引 言
永磁无刷电动机由于具有结构简单、运行可靠、维护方便等特点，在工业自动控制、交通运输以及现代武器装备等各种领域中得到了越来越广泛的应用。按电机绕组内驱动电流的不同，可分为方波驱动型和正弦波驱动型，其中绕组驱动电流为方波的称方波驱动型无刷电动机(BLDcM)；绕组驱动电流为正弦波的称正弦波驱动型无刷电动机(PMsM或Ac motor)。对于方波驱动和正弦波驱动无刷电动机的区别和优缺点，许多文献都进行了论述，普遍认为方波驱动无刷电动机较明显的不足之处是转矩波动；而对应方波驱动无刷电动机而言，正弦波驱动无刷电动机具有运行平稳、调速比宽和控制精度高等特点，但成本也较高[1]。文献[1]同时提出“正弦波驱动是发展方向”，因此，应结合不同的应用场合，研究和开发较为经济的正弦波驱动无刷电动机。本文介绍一种较为经济的正弦波电流驱动无刷电动机。该电动机定子采用铰链式结构，并采用集中绕组形式，避免了采用分布式绕组电动机绕线不便进行规模化生产、定子冲片的利用率也较低的缺点，降低了制造成本。同时通过对电机定、转子参数的合理设计，该型电机获得了正弦性较好的反电势，配上高精度的旋转变压器作为位置传感器后，通过正弦波电流驱动控制，该电机在获得意效率和高出力的同时，具有较宽转速控制范围和较高的控制精度。
1铰链式无刷电动机的设计及其特点
铰链式无刷电动机产品的性能指标要求为：额定电压300V，输出功率750 w，额定转速3000 r／min。同时要求调速范围宽、运行平稳。为此，在电机设计时考虑通过获得恒定的电磁转矩来实现。
1．1无刷电动机电磁转矩恒定时的反电势波形要求
本项目设计为三相，若三相无刷电动机各相绕组反电势瞬时值分别用ua、ub和uc表示，电流瞬时值分别用ia、ib和ic表示，则在给定角速度mr不变条件下，只要能使：
就可以获得恒定、且无脉动的电磁转矩。通常电动机的三相绕组是对称的，ua、ub和uc的波形幅值是；相同的，只是相位不同，ia,ib和ic也一样。由电机原理可知，三相无刷电动机采用正弦波驱动就可满足式(1)的要求。
因此，我们将电机绕组反电势波形设计为正弦波，同时驱动电流也为正弦波，即可满足式（1），使电磁转矩保特恒定。
1．2结构设计及特点
为使电机在获得正弦反电势波形的同时，有利于自动化生产，我们从电机结构和参数两方面进行设计和考虑。
铰链式无刷电动机定子铁心是由与槽数相同的分段铁心拼接组合而成，类似于整体式结构在圆周上分割了相应的铁心块，具体如图1所示。而分块的铁心则由一定数量的T形冲片组成，T形冲片包括了分段的齿部和轭部，如图2所示。
定子绕组设计为集中绕组，可方便地采用自动化绕线机机绕的方式将线圈绕在分段铁心上，不同的铁心拼接后压人机壳即为电机的定子。本文设计为12槽10极，图3为带绕组的分段定子铁心及拼装后的定子。
这种结构除可利用机器绕线代替手工进行分布式绕组下线外，可减小铁心冲片的尺寸，对冲片原材料的利用率也大大提高，甚至还可用一些边角料进行。
转子部分采用表贴式结构，并选取合适的极弧宽度。
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