无槽永磁无刷电动机设计研究
魏静微1，张宏宇2
(1哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨150040；2黑龙江大学，哈尔滨150086)
摘要：在永磁无刷电动机的工作原理和结构特点基础上，分析了无槽永磁无刷电动机的结构及工艺的特殊性；采用等效磁路法对250 W典型样机进行了电磁设计及结构设计，进行了样机试制；通过对试制样机的测试，得出该电机的实验数据及特性曲线，经过与理论设计值比较，验证理论分析的正确性。
关键词：无槽；永磁电机；永磁无刷电动机
中图分类号：TM351；TM36 +1 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2010)02-0009-03
0引言
无槽永磁无刷电动机是近年来产生并得到发展的一种新型电机，把无槽结构引入永磁无刷电动机就是为了****程度的利用稀土永磁材料的高性能，从而得到高性能无刷永碰电动机的特殊性能并配以优良的驱动系统使其成为理想的伺服执行元件。特别适用于家用电器、办公设备、医疗器械等要求低噪声的场合，成为一代很有发展前景的无刷电动机品种，引起相当大的关注，国内的文献也有一些反映。
无槽永磁无刷电动机是为军事需要而诞生的，随着电子技术和永磁材料的不断发展，如今已在民用事业中崭露头角，从文献[2]中可以看出，产品的功率范围为5 W~22 kW，电流范围l A120 A，电压范围12 V—480V，机座号范围吊34~360，足以和传统永磁无刷电动机现有产品范围相提并论，其应用领域遍及各行各业。
本文在分析无槽永磁无刷电动机结构、电磁设计及制造工艺特点的基础上，同时设计与制造了样机，通过样机实验数据测试及实验曲线绘制，进一步证明了该种电机的优异特性。
l结构特点
无槽永磁无刷电动机是永磁无刷电动机改良发展而派生的一种新型特种电机，其结构特点在于电枢铁心上设有齿和槽，用漆包线在铁心表面编织成绕组，并用胶将它固化、粘牢，故称“表面绕组”，因此，这种电机的气隙比普通永磁无刷电动机大得多。为了产生足够的气隙磁密，要求永磁体必须有大的剩磁、矫顽力和磁能积，近隼来迅速发展的钕铁硼永磁材料完全能满足这种要求。
无槽永磁无刷电动机根据用途不同，电机可以做成径向磁场，即圆柱式电机，也可以做成轴向磁场，即圆盘式电机。有电枢，永磁转子，控制与驱动电路等三部分：
1)电枢部分圆柱式电机的电枢铁心为圆环形结构，由硅钢片冲制而成，圆环冲成后迭压在一起焊成整体结构。电枢绕组由自粘性电磁线或普通电磁线绕制而成，绕制后排列成型放在专用工具加热自粘成型或浸胶压制成型。为了使绕组压制过程中不致破压，常常在绕组内外圆放一较薄绝缘套筒，并将它与电枢压在一起。
圆盘式电机的电枢铁心也为一圆环形结构，但硅钢片不需冲制，只要把硅钢片裁成条料卷成圆环即可，这种铁心不但制造简单，而且也节约材料。电枢绕组则需绕成扇形，绕成后直接压在电枢铁心上，其工艺与圆柱式电机相同，如果电机功率不大时，电枢绕组也可采用印刷电路。
2)永磁转子 由于该种电机电气气隙较大，因而磁钢体积也较大，高速时离心力也较大，有时离心力可能超过粘胶的剥离强度。为了使转子磁钢在高速运转时不致甩出。常常要在转子表面加不导磁的不锈钢圈进行加固，而且要有一定的预应力。
3)控制与驱动电路无槽永磁无利电动机的控制与驱动电路可以采用与无刷直流电动机相同的电路。根据供电电源及要求不同而采用不同的驱动与控制形式。
2电磁设计
电磁设计最关键的问题是电磁负荷的选择，对于不同的性能要求和使用场合，电磁负荷选择不同。由于该电机电气气隙较大，我们可以选择较大的电负荷91度这样，电枢绕组的直流电阻就会较小，对驱动系统电流环控制比较容易，且电机的温升也比较容易控制。
磁负荷选择考虑到该种电机气隙大，永磁材料应采用强磁材料，如NdFeB等材料，而气隙长度应考虑在电枢绕组能合理布置前提下尽可能小。一般情况下，电气气隙在4 mm～8 mm。
当磁性材料与磁路结构初步确定后，可按下述步骤计算：
1)以方波驱动为例，则气隙磁通为：
2)如忽略定转子轭磁位降势，总磁位降为：
3)设为总磁通与总磁势的标么值，则总磁通标么值可写为：
式中，σ为为漏磁系数；φT为磁性材料****去磁磁感应强度。
式中，Fc为磁性材料****磁感矫顽力。
(4)对于NdFeB永磁材料，可以写出
利用上述关系，用图觯法即可求出Bδ，如所得Bδ值与初选值接近，则磁钢设计合理，否则应调整磁路尺寸再进行迭代计算，直至合适为止。
当电枢绕组接线方式和电子开关电路选定后，即可根据相应公式确定每相串联导体数和总导体数，以及根据电流密度选取导线线规。
在绕组设计时应根据给定的额定转速取空载转速，因为空载转速的确定与转速变化斜率有关，即与绕组导线电阻有关，显然绕组确定后需要重新核算空载转速，直至合适为止。
当绕组确定后应核算槽满率（虚拟槽满率），如不合适则改变线规，甚至改变磁性材料尺寸。
3制造工艺特点
无槽无刷电机在制造工艺上有如下特点[2]：
1由于没有了嵌放电枢线圈的槽形，所以必须将电枢绕组制作成整体式圆筒形结构即筒形线圈，然后将其安放到光滑的电枢铁心圆环面上；
2由于没有承受电磁转矩的槽形，因此要求筒形线圈的整体性好，强度高，与电枢铁心的结合牢固，这必然要使用特殊技术手段才能实现；
3．位置检测霍尔元件相对于绕组的逻辑位置必需用专门的仪器检测确定；
4．就电机的整体结构而言，其复杂程度降低了，有利于专业化生产。
4样机试制及实验结果分析
应用RMxprt软件对功率为250 W无槽永磁无刷电动机进行了设计[6,7]，并与样机在额定状态下实测值进行比较。表1为样机的技术指标，表2为额定工况下电机设计值与实测值的比较。设计时电机所用硅钢片为DW400-50，电枢绕组为QZNIB自粘性漆包线，永磁材料为NdFeB永磁材料，牌号为NTP-216H．其磁性能：剩磁磁感应强度Bτ=1. 04 T，磁感矫顽力Hc=784 kA/m，****磁能积(BH)max= 207kj／m3。
样机试制完成后，进行了样机试验，利用Matlab绘制样机的工作特性曲线。样机实物图如图1所示，试验曲线如图2所示。
通过样机试验测试可以看出，样机已达到设计要求，圆满完成典型样机的设计任务及试制工作。通过此次样机试制，可以看到无槽无刷直流电动机的显著优点：
1．高效率250 W典型样机****效率可达百分之80. 30，与相同规格的的普通无刷电机相比，效率约可提高5010。
2．输出功率更大可以明显看出，相比于同样体积大小的普通无刷电机，无槽永磁无刷电动机输出功率更大，这也是我们开发研究电机无槽化的另一重要原因。
3．定位干扰力矩小通过对样机现场实验检测，电机运行平稳，干扰力矩小。
4．噪声明显减小 由于无槽永磁无刷电机无齿槽，不会引起齿槽转短脉动，及齿槽引起的损耗，这些都是减小噪音的有利因素。
5．没有齿槽转矩样机实际测试进一步验证了无槽电机没有齿槽转矩，进而带来了该种电机的诸多优点。
5结论
本文根据无槽永磁无刷电动机的结构特点，运用永磁电机的基本理论，结合无槽电机的电磁设计将点，在无刷电机的电磁设计程序基础上对无槽永磁无刷电机的电磁设计进行了相关的探讨并编制了电磁计算程序，应用本程序进行典型样机的电磁计算，根据计算结果，绘制出样机的工作特性曲线，从而对运行状况进行了分析；此外，进行了额定状态下与样机实验数据进行比较，通过比较可以看出，计算程序的计算结果接近实际值，说明本程序的设计思想及设计手段可以应用于该种电机的设计实践中，具有实际的工程应用价值。
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