王民生（西安微电机研究所）

 

    【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。

   

  无刷直流电动机的转子结构也有各种各样的形式，从大长细比大力矩这一特殊要求考虑，较好的选择是采用径向磁路结构。如图4所示，采用瓦形的高性能稀土永磁材料粘贴在转子铁心外圆表面，外表面采用聚酯无纬带缠绕并涂以三防清漆固化形成的护环加固。

  

     位置传感器的形式多种多样，较多采用的有两种，电磁式位置传感器和由霍尔集成电路构成的位置传感器。如果位置伺服精度要求较高时，可采用旋转变压器作位置传感器。

    电枢等效电阻：

    电机反电势常数：

 

式中K_w——绕组系数

    Wφ-每相串联匝数

    Bδ——气隙磁密

    D₁——电枢直径

    L_ef——电枢长度

  

 

    大长细比大转矩的特殊要求，不能象设计无刷直流力矩电动机那样，选取小的长细比。在外径要求尽可能小的条件下，为了输出足够大的力矩，只有增加长度，由于长度增大到一定程度时会受到工艺条件和材料强度等的限制，因此只能在有限体积内，提高电机的效率，以增大出力。为了满足大长细比大力矩的要求，同时又能实现轻载时的高转速，在设计上具有以下特点：

    a．选取较高的电磁负荷ABa。根据电机的主要尺寸关系式：

  

    不难看出，由于定子（热源）在外，散势条件好，选取较高的电磁负荷ABa，在温升不变的情况下，可减小电机体积。

    b．采用高性能的稀土永磁材料，特别是钕铁硼磁钢，以增大气隙磁密度Bδ，减小电机体积、重量和转子惯量。

    c．选取较大的极弧系数αp，并通过特殊设计使磁钢定向方向沿转子径向分布，形成顶部其有足够宽度且平坦的梯形波磁场，以增加出力，减小电流波动及力矩波动。

    d．采用方波驱动方式，可提高效率，增大出力。不难证明，在方波驱动方式下有：

    于是，理想空载电流为：

    e．采用混合式工作方式。为获得轻载时的高转速，求得一个宽的速度范围，采用单相导通三状态运行；为获得低速时的大力矩，采用两相导通六状态运行，以便得到高的机械特性阻尼系数Fo，从而求得更好的响应特性和更高的效率。

    f．在工艺和材料强度许可条件下，采用尽可能大的长细比A，一般可取A= 2～3。

    g．采用钢机壳，以提高铁心的利用率，从而达到减小体积的目的。

    h．在条件许可情况下，选用较高的端电压。

    根据上述分析，进行了电机设计。电机尺寸φ55mmX133mm，磁钢采用永磁材料，性能指M_n=0.5NmNc=3000r/min,n_max=6400r/min，实验证明：

    a．采用混合式驱动的设计思想，可以较好地实现低速时输出大力矩，轻载时能高速运转这一特殊的指标要求，大大拓宽了电机的速度范围。

    b．对于外径要求小、力矩输出要求大的无刷直流电动机，设计中除了在工艺和材料强度等许可下选择较大的长纲比外，还采用高性能的稀土永磁材料和高效率的驱动方式，并对转子结构进行特殊设计，以提高效率，增大出力，求得高的出力体积比。

    大长细比高性能稀土无刷直流电动机作为一种机电一体化的新型电机，以其高的出力体积比、宽的速度范围等优异性能，不仅可应用于标准组合拧紧系统，而且还可应用于要求电机外径小、出力大、速度范围宽、可靠性高等一些特殊场合。

    (收稿日期：1994-08-14)

 

  美国精密工业公司将双极驱动技术和电源组合在一起，研制出一种双轴步进电动机新系列，具有良好的速度一力矩性能。

  该P42系列产品提供满步或半步分辨静态力矩范围0. 2～1. 5Nm。所有输入可入完全隔离，能使用115V或230V电源。

    每个组件由两台电动机、两个驱动器、电源、集成化散热片、安装架、电缆和连接器组成一体，可应用于X-Y自动化装置、医疗仪器、半导体加工设备、工厂自动化设备和机器人等。

    (陈善海译自《Electrical  Engineer》No．1,1994)