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高速無刷直流電動機及其應用

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:356

摘  要:基于不同應用領域的永磁高速無刷直流電動機,分別對傳統結構、無鐵心結構的高速永磁無刷直流電動機的設計方法及關鍵技術進行了分析。研制開發的幾種典型產品實測結果及實際使用表明達到了預期的目標。

0  引  言

   隨著科學技術的發展,對高速電動機的需要日益劇增,如生物工程用的高速離心分離機,醫療器械用的高速電動牙鉆,機床工業用的主軸電機、高速鉆床,航空、航天用的高速離心泵、高速攝像槍、高速紅外掃描儀,“飛輪電池’’及激光技術用的高速電動機等。高速電動機主要有:串激電動機、直流電動機、交流同步電動機和異步電動機。無刷直流電動機以其無機械換向、無火花干擾、效率高、機械特性和調節特性好、可靠性高等眾多優點而特別適合于高速驅動場合的應用,加上驅動技術的日益完善和無刷電機結構的進一步創新,它在高速驅動領域中的應用前途廣闊。

1  設計特點及關鍵技術

   對高速無刷直流電動機而言,由于其轉速高,單位體積的損耗也大得多。因此必須在電磁設計和結構設計中盡可能減小每部分的損耗。無刷電機的損耗主要有3部分:銅耗Pcu、鐵耗Pfe、機械耗P(軸承摩擦耗Pb和轉子風摩擦耗Pr)。電機以n轉速高速旋轉時,磁場的交變頻率廠將進人中頻范圍。眾所周知: 顯然,隨著電機轉速的提高,電機的鐵耗和軸承損耗等機械耗將顯著增加,因此高速無刷直流電動機的

設計特點和技術難點在于如何降低電機的鐵耗和機械損耗。

1.1  傳統齒槽結構的高速無刷直流電動機

   1)選取較少的極對數,以降低磁場交變頻率;

   2)選取較小的磁負荷.以降低鐵心中的磁密;

   3)采用中頻低損耗沖片材料,并注意加工工藝,如沖制后退火處理,保證片間絕緣等,以減小鐵心中的渦流損耗;

   4)選取較大的氣隙,控制開槽形式及數量,以降低氣隙磁導齒諧波磁場在磁極表面的渦流損耗。

1.2  無槽結構的高速無刷直流電動機

   無槽結構的高速無刷直流電動機取消了傳統無刷直流電動機定子鐵心的齒槽部分,因此其鐵耗中只有軛部損耗。因氣隙較大,可選用稀土永磁材料作磁極。此結構雖然使電機鐵耗得到了較大降低,但其加工工藝較為復雜。首先要用專用工裝進行嵌線操作,待電樞繞組成型后組裝成定子組件,再進行環氧灌封。對此結構來說,無槽定子繞組的嵌

線、成型等加工工藝方法是技術的關鍵。

1.3  無鐵心結構的高速無刷直流電動機

   無鐵心結構的高速無刷直流電動機徹底消除了鐵耗,因此具有更加優異的性能,可以應用于超高速場合。其設計特點及關鍵技術仍然是無鐵心電樞定子的設計、加工成型、灌封及固定。其電樞繞組的嵌線、成型與無槽結構的加工方法基本一樣。

1.4  軸承問題

   高速無刷直流電動機的軸承,在設計中要充分考慮以下幾點。

1 軸承的選用。由于高速無刷直流電動機軸承的損耗較大,其發熱會直接影響軸承壽命。在軸承負載要求許可條件下采用尺寸小的軸承,并盡可能選用高速專用滾珠軸承,必要時可采用陶瓷軸承、空氣軸承和磁懸浮承。

2) 一般情況可用軸承自帶油脂潤滑,必要時可進行油霧潤滑及冷卻。

3) 軸承的裝配及使用也很講究。軸承檔與軸承室配合要合適,太緊損耗會增加,太松軸承套會發生打滑而產生高熱,從而導致軸承的損壞。使用中還應對軸承施加一定預緊力。

1.5  轉子問題

 高速無刷直流電動機的轉子,在設計中要充分考慮以下幾點。

1)轉子的強度。由于高速旋轉時轉子要承受較大的離心力,轉子上一般粘有永磁體,因而應對其進行加固處理,可增加非導磁護套或者用無緯玻璃絲帶纏繞后再加熱固化。

2)轉子動平衡。由于轉速高,因此應做精度較高的動平衡。設計時要盡可能使轉子質量相對中心軸線均勻分布。

3)轉子表面狀態。高速電機轉子表面應盡可能光滑、均勻,以減小風摩耗。

2  幾種典型高速無刷直流電動機的應用

  筆者針對生物工程中高速離心分離機開發了90ZWSG01高速無刷直流電動機。其指標為:電源電壓220V,50Hz,最高工作轉速為20000r/min(可閉環下調),功率300W,噪聲不大于60dB,表面溫升不大于25°C,電機本體體積為090mm×130mm。此產品設計為傳統的有槽結構,在機殼外圓增加了環形散熱片。其電磁設計與結構設計貫

徹了前述的設計思路,因此在高轉速時仍能保持較低的溫升和較小的噪聲。其驅動器直接采用220V、50Hz供電方式,為用戶提供了較大的便利。其隔離技術可使控制端安全可靠,同時還具欠壓、過流、邏輯錯、過熱等保護功能。正因為其優異的性能特點,使其在醫療、生物工程等高速離心分離機上得到了良好的應用。

   針對某重點軍工項目,研制了航天泵用36ZWGC03A高速無刷直流穩速電動機。其指標為:電壓27±3V、轉矩0.033N·m、轉速11000r/min,開環效率為83%左右,閉環效率不小于70%;電機本體體積(p36mm×75mm。該電機為無槽結構,驅動器與電機組裝為一體,電機本體具有很好的密封性能,內有介質循環冷卻系統。

   針對衛星上用“飛輪電池”進行了無鐵心高速無刷直流電動機的方案設計。其指標為:電壓95V、功率350W、最高轉速80000r/min。該電機采用磁懸浮軸承,飛輪與電機置于一真空容器內,因此電機無鐵耗,機械耗也很小,直流電阻僅O.5Ω,因而銅耗也很小,計算效率可達97%。

   總之,高速無刷直流電動機具有其他種類高速電機不可比擬的優異性能,它必將在高速領域一展風采。

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