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極的無刷直流電動機(jī)作為研究對象，針對分?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，通過性能對比，對兩者進(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，自動生成Maxwell 2D模型。

對照電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用Maxwell 2D模型編輯器對模型進(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)槽電動勢星形圖，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，兩者在性能上會有什么差異?考慮到線圈分布位置的不同可能會產(chǎn)生不同電感，而電機(jī)電感又會對電機(jī)機(jī)械特性產(chǎn)生巨大影響，因此決定通過Maxwell 2D對該電機(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，要對電機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算對比。性能指標(biāo)具體對比情況如圖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)動方式對這兩種不同繞組形式的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，并用測功機(jī)系統(tǒng)對它們的機(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)械特性類似于串勵電機(jī)特性，非常適合于電動工具等行業(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機(jī)。單層繞組電機(jī)相對于雙層繞組電機(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.