拼块式和铰链式无刷直流电动机

    王峥^1，2

(1上海交通大学，上海200030；2中国电子科技集团第二十一研究所，上海200233)

     摘要：主要介绍两种新型的无刷直流电动机电枢结构，即拼块式和铰链式电枢。分析了采用该电枢结构的条件，然后详细介绍其电枢冲片、电枢铁心和槽绝缘，并举例介绍拼块式无刷直流电动机电枢的嵌线和拼装。最后通过对比说明，采用拼块式和铰链式电抠结构能够大大节约电枢铁心成本，提高电机性能。

    关键词：拼块式电枢；铰链式电枢；无刷直流电动机

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)05—0016—03

O引  言

     中小型电机大多采用传统的整圆式电枢冲片，即电枢冲片是整圆的，齿槽交错、均匀连续地沿圆周分布。在电枢冲片加工过程中，势必产生许多边角废料，影响硅钢材料的利用率，增加制造成本。这种整圆式的电枢铁心嵌线比较困难，槽满率低，端部相对较长，不利于提高产品的性能和规模化生产。

    本文分析研究了一种新型的电枢结构，即拼块式和铰链式电机电枢。这种电枢结构可以提高原材料的利用率，降低成本，改善电机产品的性能。同时，也将为无刷直流电动机提供一种新颖、有效的结构形式，并将推动其产业化发展。

1采用拼块式和铰链式电枢结构的条件

  首先，介绍四个概念。

  (1)分数槽绕组。分数槽绕组就是每极每相槽数为分数，即：

式中：q为每极每相槽数；z为定子或转子槽数；p为极对数；m为绕组相数。

     (2)极距。一个磁极在圆周方向所跨过的距离，通常以槽数来表示。即：

式中：t为极距。

    (3)绕组节距。一个电枢元件在圆周方向所跨过的槽数，用y来表示。当y=r时，称为全距绕组；当y或y>r时，称为短距或长距绕组。通常，为了消除或减小电枢绕组磁势谐波，采用短距或长距绕组。

    (4)短距系数或长距系数。公式如下：

    为了保证绕组基波磁势不会被消弱太多，绕组的短距系数或长距系数不宜太小，也就是绕组节距尽量接近极距。

    当极距t接近于1时，通常绕组节距取1，该绕组称为集中式绕组。

    表1列出了微型无刷直流电动机经常采用的极槽配合以及相关参数(假设m=3)。可以看出，

     如果采用表2中的极槽配合和绕组节距，Kp1会很小，电机性能会过分消弱。

2拼块式和铰链式无刷直流电动机电枢特点

2．1拼块式和铰链式无刷直流电动机电枢冲片

    拼块式电枢冲片具有较明显的结构特征，就是将传统的整圆的电枢冲分成z(槽数)单元，z个单元是分离的。图1为传统式电枢冲片，图2为拼块式电枢冲片。

    铰链式电枢冲片是在拼块式电枢冲片基础上发展而来，连续冲制，并使z个单元相互衔接地排列成一条直线，更利于规模化生产。图3为铰链式电枢冲片。

    单个拼块式电枢冲片的面积是整个电枢冲片的1／z，可以利用带状材料冲制，减少边角废料。而且，可以通过合理安排冲制工艺，进一步减少边角料的浪费。

    拼块式和铰链式电枢冲片上有三个隼峁，片与片之间可以通过隼峁相扣，所以电枢铁心叠装不需要黏结剂，并且可以在冲片冲制过程中自动完成。对于大机座号的电机，可以在

电枢外圆接缝处增加激光点焊，防止散片，提高可靠性。图4为单个拼块式电枢铁心，图5为铰链式电枢铁心。  

2.2拼块式和铰链式电枢槽绝缘

    传统的电枢槽绝缘材料大多为聚酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜和聚酰亚胺等薄膜材料，这些薄膜材料垫在铁心槽中容易滑动，所以通常采用人工嵌线。拼块式或铰链式电枢的槽被一分为二，薄膜材料很难定位，不仅不利于人工或机器嵌线，还会降低生产效率，所以薄膜材料不宜作为铰链式电枢的槽绝缘。通常采用一种新型结构的槽绝缘材料，即聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，PBT可以在140℃下长期工作，而玻璃纤维PBT的耐热程度可达200℃。采用注塑成型，使之与电枢铁心紧密贴合。这种槽绝缘既具有足够的机械和绝缘强度，平整，厚度适中，又易于嵌线，节省槽空间。图6为该槽绝缘的结构图，可直接从两端将铁心套着，使电枢线圈与铁心完全隔离，起到很好的机械与电气保护作用。  

2.3拼块式和铰链式电枢的嵌线与拼装

    将绕制好的线圈安放到槽中或将导线直接绕在电枢槽中即为嵌线，这是整个电机电枢制造中的一个重要工序，也是工作量较大的一道工序。嵌线工艺的好坏不仅直接关系到是否能够实施电枢绕组的设计方案，而且会影响电枢绕组的槽利用率和整个绝缘系统的可靠性。拼块式和铰链式电枢结构，由于采用集中绕组和特殊的槽绝缘，绕组安放和固定相对比较简单，可以进行机器嵌线。

    拼块式电枢嵌线时先逐个将电磁线直接绕制在电枢铁心的齿部；然后通过专门的拼装工具将绕制好的电枢铁心拼装起来，并压入机壳内，或者直接插入机壳内；最后按照绕组接线图接线。铰链式电枢嵌线时则连续地将电磁线直接绕制在电枢铁心的齿部；然后利用铁心的凹凸结构直接将绕制好的电枢铁心拼装成圆，并压入机壳内；最后按照绕组接线图接线，或者将线头焊接在PcB电路板上。 

    下面以12槽10极无刷直流电动机为例进行研究，电机绕组星形向量图如图7所示。绕组相带分布如表3所示。

根据表3，在采用拼块式电枢嵌线时，可以将两个电枢铁心连续绕制，提高绕制效率，减少接线头。根据表3，要求相邻的两个铁心，一个正绕，一个反绕再拼接而成，并且正反绕向要与铁心的凹凸记号槽相对应。

    实际嵌线时采用专用夹具，如图8所示。将两个铁心为一组，装入绕线夹具，绕线夹具槽口割制了与铁心相对应的凹凸记号槽，以保证两铁心的位置不会弄错。绕线夹具的方槽与绕线机相连，绕线时绕线机的主轴带动夹具回转绕线，绕制好一个铁心后，换一个方向绕制另一个铁心。

    绕制时，要求嵌入槽中的电磁线和线圈端部都应排列整齐，无严重交叉，以防止槽满率降低或破坏电磁线漆膜。

    绕制好的电枢铁心按照电枢接线图要求接线，同一相的绕组首尾相连或舀酋冲目连，注意极性，如图9所示．

     最后，将绕制好的铁心放在专用的拼装夹具中将铁心整成一体，如图10所示，并压入机壳。

3拼块式和铰链式电枢结构的优点

    现有一种无刷直流电动机，其主要技术指标如下：额定电压为300 V，额定功率为750 w，额定转速为3000 r／min，定子外径为Φ86mm，铁心长度为66mm。

  设计方案采取12槽／10极，则q=O 4，r=l 2，可取y=1，采用集中绕组。

    拼块式和铰链式无刷直流电动机相对于传统式无刷直流电动机有以下几个优点：

3．1节约原材料

    定子冲片尺寸如表4所示。

    拼块式和铰链式电枢冲片可以采用带状材料冲制，而传统式电枢冲片多采用方料冲制，且可以按图ll两种方式冲制。

    传统式与拼块式、铰链式电枢冲片的材料成本对比如表5所示。

   由表5可以看出，对单个冲片而言，拼块式和铰链式结构所需要的材料仅是传统式结构的77．2％左右，改善工艺后甚至可以减少至55 9％。所以，对于一定长度的电枢铁心，拼块式和铰链式电枢铁心成本****可以减少至传统式电枢铁心的56％左右，节约成本是相当可观的。

3．2降低齿槽转矩

    拼块式和铰链式电枢嵌线工艺不同于传统式电枢，它是直接将电磁线圈直接绕在电枢齿部，不需要考虑电枢铁心的槽口宽度，故可以设计成为闭口槽。闭口槽对于降低齿槽转矩，改善转矩波动会起到不可忽视的作用。当取不同的槽口宽bs0时，利用Anson软件仿真得到的齿槽转矩，如图12所示。   

3．3槽满率高、效率高

    拼块式和铰链式电枢绕组直接机绕在电枢齿部，绕组排列整齐、端部长度小、槽满率高。端部长度小，可以减小单个绕组的半匝长，降低铜耗，提高电机效率。具体对比如表6所示。