大角动量无刷直流陀螺电动机的设计

                                                         申志刚，任建涛，刘景林。

摘要：介绍了一种无刷直流陀螺电动机的设计。电机本体采用大角动量结构和径向磁化永磁体构成的串联磁路结构，并采取了减小齿槽转矩、定子铁耗和转子涡流损耗的有效对策。其与专用控制器联接，实现了起动可靠、起动时问短及转速稳定度高等技术要求，保证了系统的测量精度和工作可靠性。最后针对设计中的不足之处提出了改进方案。

关键词：无刷直流；陀螺电动机；齿槽转矩；铁耗；转子涡流损耗

0         引  言

无刷直流陀螺电动机应用于高精度定向系统，其以高速旋转为系统提供稳定的角动量，系统从而利用陀螺效应准确测量方位角度。该研制项目是在国内外电机及控制技术发展的基础上，结合高精度定向系统研制的实际需求而提出的，适应了机电一体化的发展方向。

    该电机属于稀土永磁无刷直流电动机(REPMBLDcM)，它既有交流同步电动机的简单结构，又有直流电动机优良的调速特性，具有可靠性高、工作寿命长、效率高和控制性能好等优点，是近几年来发展比较快的新型电机，广泛应用于航空、航天及民用领域。此无刷直流陀螺电动机系统包括电机本体、转子位置传感器和驱动控制器三大部分。

    其中，电机本体采用三相Y形接法，外转子式结构，工作于二相导通三相六状态。电机采用电子换向器，同时采用具有高矫顽力、高磁能积的稀土永磁材料，使得电机具有体积小、效率高等优点。

转子位置传感器采用体积小、可靠性高的无接触式霍尔(Hall)磁敏开关传感器，使电机具有较好的起动特性和抗过载、抗冲击能力：其输出信号为脉冲形式，不但可远距离传输，而且转子位置可数字检测，检测保真度高。同时，借助H all转子位置传感器可间接检测电机转速，稳速控制无需复杂的转速传感器。驱动控制器主要包括主功率逆变器、隔离与驱动电路和控制电路。能量调控通道采用三相桥式逆变器，工作于120°三相六状态换相控制模式。

电机由数字信号处理器(DsP)和复杂可编程逻辑器件(cPLD)控制，采用软硬件相结合的控制电路，实施功率变换、转速闭环、软启动、系统监控与保护等功能。

无刷直流陀螺电动机是定向系统的关键部件，其工作性能直接影响着系统的测量精度与可靠性，

 

    由此可以看出，削弱齿槽转矩的方法呵归纳为三大类，即改变永磁磁极参数的方法、改变电枢参数的方法以及电枢槽数和极数的合理组合；

2。2齿槽转矩最小化技术

(1)磁性槽楔法采用磁性槽楔就是在电机的定子槽口上涂压一层磁性槽泥，固化后形成具有一定导磁性能的槽楔。磁性槽泥的主要成分是高纯度铁粉和高粘度树脂，其相对于空气的磁导率一般为2～5。磁性槽楔减小了定子槽开口的影响，使定子和转子间的气隙磁导分布更加均匀，从而可以减小由于齿楷引起的转矩脉动。然而由于磁性槽楔材料的导磁性能不是很好，因而对于转矩脉动的削弱程度有限。

    (2)闭口槽法采用闭口槽即定子槽不开口，槽n材料与齿部材料相同。因槽口的导磁性能较好，所以闭口槽比磁性槽楔能更有效地消除转矩：但采用闭口槽会给绕组嵌线带来极大的不便，同时也会大大增加槽漏抗，增大了电路的时间常数，将影响电机控制系统的动态性能。

    (3)分数槽法该方法可以提高齿槽转矩基波的频率，使齿槽转矩脉动明显减小。但是采用了分数槽后，各极下绕组分布不列称，从而使电机的有效转矩分量部分被抵消，电机的平均转矩电会因此而相应减小。

    (4)斜槽法定予斜槽法是最为传统的降低齿槽转矩的方法，其机理与分数槽法有相似之处。将定子槽沿轴向扭斜一个定子槽距，可有效地消除有齿槽引起的力矩波动。但定子斜槽一般会影响导体的占槽面积，从而使铜耗增加。此外，斜槽还会使电机的结构趋于复杂，并且在一定程度上降低了电机的输出转矩。

    (5)采用无齿槽结构为了消除齿槽转矩脉动，可采用无槽绕组结构。电机的定子铁心没有齿槽，相电枢绕组紧贴在内定子铁心的外圆周表面，定转子之问的理论计算气隙较大。这种结构能够****消除齿槽转矩脉动的影响，但其绕组电感显着减小，一般只有儿微亨至几十微亨，因此定子电流中的PwM分量非常明显’：

    上述各种方法在电机的设计时应综合考虑：而在此陀螺电机本体设计中，定子铁心采用斜槽结构，转子优先选择表贴式磁钢结构，相当于增大，电机的等效工作气隙。同时，在不影响磁钢利用率的情况下，尽可能增大气隙尺寸。在加工中注意提高定、转子铁心的加工及装配精度，并且选配磁性能一致的钕铁硼磁钢。多种方法的应用切实降低了齿槽转矩波动，保证的陀螺电机的运转平稳性：在后续研制中，可以考虑适当减小定子槽开口宽度，在保证定子绕组下线方便的情况F进一步减少由定子槽开口所引起的气隙磁导变化。同时也可以考虑采用无齿槽定子结构，这样有利于从根本上消除齿槽转矩脉动的影响：

3  电机本体损耗分析

永磁无刷直流陀螺电机的损耗一般可分为以下几类：

    (1)定子和转于铁心中的基本铁耗，它主要是由主磁场在铁心中发生变化时产生的。

    (2)铁心中的附加损耗，它主要指由定子开槽而引起的气隙磁导谐波磁场在转子铁心表面产生的表面损耗，以及由工作电流产生的漏磁场(包括谐波磁场)在定转子铁心及结构件里引起的各种损耗。

    (3)电气损耗，它指由工作电流在定子绕组中产生的损耗。

    (4)机械损耗，它主要包括风阻损耗(南转子高速旋转引起的转子表面与气体之间的摩擦损耗)和轴承摩擦损耗。

    作为陀螺电机，其主要作用是克服风阻力矩和轴承摩擦力矩进行高速平稳旋转，如果陀螺电机的功率损耗过火，将造成电机的输入功率增加，从而引起电机的效率F降，温升增大。而电机的发热情况严重，也将造成其不能稳定工作，因此要首先从设计角度设法努力减小陀螺电机的各类损耗。

3．1基本铁耗

电机的基本铁耗是由主磁场在铁心内发生变化

 

时产生的。这种变化可以是所谓交变磁化性质的，例如定子齿中所发生的；也可以是所谓旋转磁化性质的，例如定子铁轭中所发生的。不论是交变磁化还是旋转磁化，它们均会在铁心中引起磁滞和涡流损耗。在丁程实际中，铁心的基本铁耗通常按以下数值方程进行计算

 

 

由此可知，铁心中的基本铁耗在频率一定的情况下，主要与铁心中的磁感应强度、材料的厚度及性能有关。此外，铁心冲叠工艺水平的高低及加工方法也往往对铁耗的大小有重大影响：在电机铁心设计中，铁心材料选用铁损小的冷轧无取向磁性钢带35w230，但铁心齿部的磁感应强度较大，造成齿部磁路趋于饱和，在设计改进中应适当增大定子齿宽，降低齿部的磁感应强度，进一步减小齿部铁耗。

3。2转子涡流损

耗转子涡流损耗在高速无刷电机中比较严重，会引起转子永磁体过热与不可恢复性退磁。其主要是由定子电流的时间和空间谐波以及由定子槽开日引起的气隙磁导变化所产生的。在高速永磁无刷直流电机中转子涡流损耗一般比风阻损耗严重，因此有必要采取技术措施来降低转子涡流损耗一=3．3定子结构的影响转子涡流损耗中电流时间谐波引起的损耗主要取决于控制策略(例如是否采用脉宽调制)，电流空间谐波引起的损耗和气隙磁导变化引起的损耗主要取决于电机定子结构以及槽开口的大小、气隙长度等结构尺寸=高速电机转子涡流损耗很难通过试验的方法从电机的整体损耗中分离检测出来，周凤争等人…。采用解析计算和有限元仿真的方法对比研究了不同的定子结构对高速无刷直流电机中转子涡流损耗的影响：

    分析表明，随着定子槽开口的增大，电流空间谐波引起的转子损耗有所减小，但是变化不大。槽开口更重要的影响在于造成气隙磁导的不均匀，由此使得永磁体内的磁场发生变化，造成涡流及损耗。

随着槽开口的增大，气隙磁导变化加剧，因此对应的转子损耗也随之增加。当槽口尺寸不变时，随着电机工作气隙长度的增加，定子槽开口所产生的影响逐渐减弱，转子损耗也随之减小。因此在电机设计改进时，应考虑适当减小槽日尺寸或增大工作气隙长度以减小转子涡流损耗。同时定子结构对高速电机转子涡流损耗影响很大，通过合理设计能够大幅减小转子涡流损耗。此陀螺电机定子采用12槽整距叠绕组，在工作转速下单相等效电流片不含有偶次空间谐波分量，也就不会产生相应的转子损耗。

虽然会含有3的倍数次谐波分量，但三相合成后为零，也并不产生转子涡流损耗。

3．4转子结构的影响

陀螺电机采用钕铁硼永磁体，其径向尺寸较小，定子电枢与转子铁心的间隙也就比较小，因此定子绕组产生的磁势谐波和定子齿谐波磁场容易透入永磁体和转子铁心中，它们与转子转速异步，在转子中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分：同时，为了保证陀螺电机的质心稳定性，一般转子都采用整体铁心，因而也就加大了涡流损耗的作用。由文献[8]的分析可知，永磁体中的涡流能够抵消气隙谐波磁场，对转子涡流损耗具有抑制作用：利用这一规律，将转子永磁体表面的护环材料改为导电性能更好的黄铜(见图4)。

 

 

 

    铜护环的厚度选择合适时，涡流损耗主要集中在护环中，其中的涡流对谐波磁场起到屏蔽作用，减小了转子其它部分的损耗尤其是永磁体中的损耗，使转子的总体涡流损耗得到降低。

4测试结果与设计

改进两台无刷直流陀螺电机联接专用控制器进行调试试验，其测试结果如表1所示：