无槽无刷直流电机设计

关丽雅，李耀国，宋 桀，梁 赫

(1.北京青云航空仪表有限公司，北京 101300；2.空军装备部驻北京地区第五军事代表室，北京 101300)

无槽无刷直流电机(以下简称无槽电机)与传统齿槽电机基本结构和工作原理相同，但定子铁芯和线圈结构不同。无槽电机定子铁芯无齿槽，定子三相线圈用漆包线制作成杯形结构，粘贴于定子铁心表面，属于自支撑的线圈结构，称“无槽线圈”。无槽电机这种结构降低了定子铁芯中的铁耗，提高了电机的效率。而且无槽电机的输出特性为线性，使其控制简单，可实现高精度控制。同时无槽电机的反电动势波形设计为准正弦波，它与方波型直流电机相比，具有更小的转矩脉动，而且因铁芯无齿槽，消除了齿槽效应，使控制更为平稳。无槽电机还具有电气时间常数小、响应速度快等优点，具有齿槽电机无可比拟的优越特性，备受市场关注，在军事、航空航天、医疗器械、机器人技术、半导体设备及汽车工业等领域得到广泛的应用。

国外无槽电机研制历史较长、技术先进，产品市场占有率较高[1-3]。我国由于起步较晚，无槽电机研发制造技术远远落后。目前国产无槽电机大多为几瓦到几十瓦的小功率无槽电机，而且技术水平较低、效率低、成本高、性能差。因此，在一些高精尖机电系统中，一直依赖于进口国外无槽电机。

针对上述情况,北京青云航空仪表有限公司开展专项攻关，该项目研制的无槽电机输出功率超100 W，功率密度大，国内尚无研制成功的报道。目前研制工作已经取得了一定成果，完成了样机的制作与性能测试。结果表明，电机性能优越，在同等测试条件下，功率密度和效率远高于其他国产同规格电机，同时也高于国外同规格无槽电机。

该项目无槽电机的研制成功为国产无槽电机的研制提供了参考和依据，并且对提高国内机电产品的技术竞争力具有积极意义，同时相关研究工作填补了大功率国产无槽电机的空白，具有重大意义。

1 无槽电机的设计

1.1 结构组成

无槽电机包括电机本体、编码器和减速器。无槽电机多为高速电机，实际应用中需要配以合适的减速器，使电机的输出特性满足系统需要，配套的减速器为两级精密行星齿轮减速器；编码器为磁阻式编码器。无槽电机结构模型如图1所示。

无槽电机本体由定子组件和转子组件构成，定子组件由壳体、定子铁芯和无槽线圈组成，转子组件由转子轴、永磁磁钢和轴承组成。

1.2 技术要求

额定电压为28 V，工作温度范围为-55～70 ℃，电机磁极对数为1对极；减速器输出轴输出的转速和转矩应满足机电产品系统的要求。

1.3 主要参数的确定

电机的主要尺寸、电机功率与电磁负荷及转速等参数之间满足如下关系[4]：

(1)

(2)

式中，W1是每相串联匝数；I1是每相电流，单位为A；a1是定子每相并联导体数。

1.4 材料的确定

1.4.1 转子磁极材料的确定

转子永磁磁极材料常用的有钐钴和钕铁硼。钕铁硼材料存在易被粉化和腐蚀、化学稳定性差的缺点，一般需要在其表面上喷涂环氧树脂材料来隔离外界空气，也可作电泳或电镀处理，应用于苛刻环境时，常作表面镀镍处理[5-8]。但目前钕铁硼镀层存在可靠性差、寿命短等问题，大多应用在民用领域，应用于航空产品中可靠性无法保证。军工产品上大多选用钐钴合金材料，该材料环境适应性与耐蚀性较好，不需要表面处理可应用于盐雾环境，能够满足航空产品的高可靠性要求。因此，该项目电机选用钐钴合金作为永磁磁极材料。磁极的安装常用表贴式结构，该结构制造和装配工艺简单[9-10]。但表贴工艺的磁极牢固性差，存在脱落风险，应在磁极外加保护套，本文采用该结构。

1.4.2 定子铁芯材料的确定

定子铁芯作为导磁体，材料选用软磁材料。软磁材料的种类很多，可分为金属、铁氧体、非晶态和超微晶软磁材料四大类。其中硅钢片综合性能较好，且硅钢片价格较低。因此，定子铁芯材料选用硅钢。

2 无槽电机磁路仿真

2.1 建立几何模型

根据式1和式2的计算结果建立仿真模型(见图2)。

2.2 材料定义及网格划分

按设计方案定义材料，定子铁芯选取硅钢，线圈材料选取铜金属，转子磁钢选取钐钴合金，转子轴选取10钢。材料定义完成后进行网格的划分，网格划分的原则：气隙和齿部较密，定子轭部和转子部分较疏。划分后的网格如图3所示。本文采用最大划分单元长度为1 mm。

2.3 设定求解选项及运动面域

二维瞬态分析时应设定运动选项，在模型窗口选中运动面域，进行运动类型、数据信息及机械信息等参数的设置，运动面域是模型中包含转子的面。求解设置为终止时间为0.1 s，求解步长为0.000 2 s，场信息保存时间为0.1 s。设置完成后进行自检，自检后进行求解和后处理。

3 无槽电机仿真结果及分析

3.1 磁场分析

定子端添加激励源为三相对称电压，额定电压为28 V，利用瞬态求解器模拟电机不同时刻的磁场变化，得到电机的磁场瞬态分布情况，图4所示为电机某一时刻的磁力线分布图。图4中显示的是磁力线及等A线的A值大小，其单位是Wb/m，中部显示的是磁力线在电机模型中的分布，红色磁力线为正向极值，蓝色磁力线为负向极值。可以看出电机磁力线分布均匀，说明磁路设计合理。图5所示为无槽电机的磁密云图，图5中左上角显示的是磁密值大小，其中单位是T，可以看出，定子铁芯磁密最大，接近1.19 T，未饱和，磁路设计合理。

3.2 工作特性

应用计算结果对无槽电机进行仿真，再不断调整电机参数进行设计优化。仿真完成后，可以在有限元软件中查看设计结果，得到电机的工作特性，该无槽电机额定工作点效率为90%，额定电流为1.29 A，满足要求。

4 样机实物性能测试

按照优化设计方案制作出物理样机(见图6)。对样机施加28 V直流电压，由控制器控制电机转速，用测功机为电机施加转矩，进行性能测试。

测试时用专用工装将电机本体装夹在测功机上，减速器输出轴与测功机加载台输出轴通过联轴器联接，对电机施加额定转矩进行测试，得到测试结果。研制的无槽电机与不同生产厂家同规格电机的测试结果对比见表1。

表1 电机性能测试结果

可以看出，项目研制的无槽电机效率略高于国外同规格电机，功率密度与其相同；与其他两款国产电机相比，效率和功率密度有着明显优势。

5 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)针对高端机电产品对无槽电机的需求，开展了无槽电机的研制工作，制作了样机，并进行了性能测试。结果表明，无槽电机满足技术要求，并且达到了国际先进水平。

2)电机的仿真结果与实测数据误差较小，验证了设计的可行性及有限元仿真方法的可靠性。

3)通过与不同厂家电机性能对比，表明该电机性能优异；功率密度和效率不但远高于国产同类电机，而且效率高于国外同规格电机。

4)无槽电机的研制成功填补了国产大功率无槽电机的空白，为国产无槽电机的研制提供了参考和依据。