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        分?jǐn)?shù)槽集中繞組無刷直流電動(dòng)機(jī)繞組結(jié)構(gòu)對(duì)比

        2012-06-19 09:10:36朱智平章黎明陳方紅
        微特電機(jī) 2012年6期
        關(guān)鍵詞:機(jī)械結(jié)構(gòu)

        朱智平,章黎明,陳方紅

        (橫店集團(tuán)聯(lián)宜電機(jī)有限公司,浙江東陽322118)

        0 引 言

        在無刷直流電動(dòng)機(jī)中采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組已經(jīng)非常普遍,但幾乎所有的場合都是采用雙層繞組,分?jǐn)?shù)槽雙層集中繞組以其端部尺寸小、功率密度大、適合機(jī)器自動(dòng)繞線等優(yōu)點(diǎn),成為各大電機(jī)廠家首選的設(shè)計(jì)方案。然而,幾乎很少有人會(huì)聯(lián)想到分?jǐn)?shù)槽單層集中繞組。

        本文以6槽8極的無刷直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象,針對(duì)分?jǐn)?shù)槽繞組單層和雙層結(jié)構(gòu),應(yīng)用Ansoft軟件,計(jì)算了電機(jī)的氣隙磁密、電感、電流、功率和扭矩,通過性能對(duì)比,對(duì)兩者進(jìn)行更全面的了解,根據(jù)它們的特點(diǎn),可以更合理地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

        1 電機(jī)模型和繞組結(jié)構(gòu)

        1.1 電機(jī)模型

        本文以6槽8極無刷直流電動(dòng)機(jī)為例,具體尺寸如下:定子外徑42 mm,定子內(nèi)孔22 mm,定子長度60 mm,轉(zhuǎn)子外徑20.5 mm,極弧系數(shù)0.75。將電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入Rxmprt模塊,編譯仿真后,自動(dòng)生成Maxwell 2D模型。

        對(duì)照電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu),利用Maxwell 2D模型編輯器對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化,模型經(jīng)過加載、剖分、求解后等過程后,得到電機(jī)二維磁場分布。求解區(qū)域網(wǎng)格剖分如圖1所示,圖2為磁場分布云圖,圖3為氣隙磁密分布圖。

        1.2 繞組結(jié)構(gòu)

        根據(jù)槽電動(dòng)勢(shì)星形圖,很容易得到繞組分布圖。圖4(a)為雙層集中繞組結(jié)構(gòu)圖,圖4(b)為單層集中繞組結(jié)構(gòu)圖。在該實(shí)例中,雙層繞組電機(jī)中線圈組 A1、A2、B1、B2、C1、C2的匝數(shù)分別為 23 匝,而單層繞組電機(jī)中線圈組A、B、C的匝數(shù)分別為46匝。這兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)其余零部件均相同,由于采用相同直徑的漆包線,顯然兩種電機(jī)的槽滿率也是相同的。

        圖4 集中繞組結(jié)構(gòu)

        2 性能計(jì)算參數(shù)對(duì)比

        雙層繞組電機(jī)和單層繞組電機(jī)的參數(shù)幾乎一模一樣,電機(jī)的總匝數(shù)和電阻也一樣,兩者在性能上會(huì)有什么差異?考慮到線圈分布位置的不同可能會(huì)產(chǎn)生不同電感,而電機(jī)電感又會(huì)對(duì)電機(jī)機(jī)械特性產(chǎn)生巨大影響,因此決定通過Maxwell 2D對(duì)該電機(jī)的兩種繞組結(jié)構(gòu)的電感進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算,發(fā)現(xiàn)兩者的電感差異很大。具體如下:

        雙層繞組計(jì)算電感:

        單層繞組計(jì)算電感:

        式(1)和式(2)中的電感矩陣數(shù)值為電機(jī)長度為1 m的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)還需乘以0.06,顯然,單層繞組的電感約為雙層繞組的電感的2倍。

        得到電感數(shù)值的差異后,要對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。性能指標(biāo)具體對(duì)比情況如圖5~圖8所示。

        圖8 轉(zhuǎn)速力矩曲線

        3 兩種結(jié)構(gòu)原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試

        采用三相六狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)這兩種不同繞組形式的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),并用測功機(jī)系統(tǒng)對(duì)它們的機(jī)械特性進(jìn)行了測試。樣機(jī)實(shí)物圖如圖9所示,電機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)與Ansoft計(jì)算結(jié)果有一定偏差,但整體上來說還是比較吻合的。下面以某個(gè)固定力矩值進(jìn)行比較,此處以客戶指定的力矩點(diǎn)0.5 N·m為例,具體對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

        圖9 樣機(jī)實(shí)物圖

        表1 不同繞組形式的對(duì)比數(shù)據(jù)

        4 結(jié) 語

        通過以上Ansoft計(jì)算和樣機(jī)實(shí)物測試,可以得出以下結(jié)論:

        單層繞組結(jié)構(gòu)電機(jī)比雙層繞組結(jié)構(gòu)電機(jī)電感大。由于電感因素的影響,單層繞組電機(jī)機(jī)械特性明顯比雙層繞組電機(jī)要軟,因此單層繞組電機(jī)機(jī)械特性類似于串勵(lì)電機(jī)特性,非常適合于電動(dòng)工具等行業(yè)使用,在過載情況下電機(jī)也不容易燒毀。而雙層繞組電機(jī)機(jī)械特性較硬,基本上為線性變化,機(jī)械特性類似于永磁直流電動(dòng)機(jī)。單層繞組電機(jī)相對(duì)于雙層繞組電機(jī)而言,電機(jī)的最大輸出功率較小,在低速過載情況下電流較小,效率較高。

        通過以上對(duì)比,在以后的電機(jī)選型過程中,可以根據(jù)電機(jī)的實(shí)際使用情況,合理地選擇合適的繞組方式,以便充分發(fā)揮利用好電機(jī)的機(jī)械特性。

        [1]湯蘊(yùn)璆,史乃.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:101-102.

        [2]趙博,張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2010:150-199.

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