北京永光高特微电机有限公司
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高速无刷直流电动机及其应用

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:217

摘  要:基于不同应用领域的永磁高速无刷直流电动机,分别对传统结构、无铁心结构的高速永磁无刷直流电动机的设计方法及关键技术进行了分析。研制开发的几种典型产品实测结果及实际使用表明达到了预期的目标。

0  引  言

   随着科学技术的发展,对高速电动机的需要日益剧增,如生物工程用的高速离心分离机,医疗器械用的高速电动牙钻,机床工业用的主轴电机、高速钻床,航空、航天用的高速离心泵、高速摄像枪、高速红外扫描仪,“飞轮电池’’及激光技术用的高速电动机等。高速电动机主要有:串激电动机、直流电动机、交流同步电动机和异步电动机。无刷直流电动机以其无机械换向、无火花干扰、效率高、机械特性和调节特性好、可靠性高等众多优点而特别适合于高速驱动场合的应用,加上驱动技术的日益完善和无刷电机结构的进一步创新,它在高速驱动领域中的应用前途广阔。

1  设计特点及关键技术

   对高速无刷直流电动机而言,由于其转速高,单位体积的损耗也大得多。因此必须在电磁设计和结构设计中尽可能减小每部分的损耗。无刷电机的损耗主要有3部分:铜耗Pcu、铁耗Pfe、机械耗P(轴承摩擦耗Pb和转子风摩擦耗Pr)。电机以n转速高速旋转时,磁场的交变频率厂将进人中频范围。众所周知: 显然,随着电机转速的提高,电机的铁耗和轴承损耗等机械耗将显著增加,因此高速无刷直流电动机的

设计特点和技术难点在于如何降低电机的铁耗和机械损耗。

1.1  传统齿槽结构的高速无刷直流电动机

   1)选取较少的极对数,以降低磁场交变频率;

   2)选取较小的磁负荷.以降低铁心中的磁密;

   3)采用中频低损耗冲片材料,并注意加工工艺,如冲制后退火处理,保证片间绝缘等,以减小铁心中的涡流损耗;

   4)选取较大的气隙,控制开槽形式及数量,以降低气隙磁导齿谐波磁场在磁极表面的涡流损耗。

1.2  无槽结构的高速无刷直流电动机

   无槽结构的高速无刷直流电动机取消了传统无刷直流电动机定子铁心的齿槽部分,因此其铁耗中只有轭部损耗。因气隙较大,可选用稀土永磁材料作磁极。此结构虽然使电机铁耗得到了较大降低,但其加工工艺较为复杂。首先要用专用工装进行嵌线操作,待电枢绕组成型后组装成定子组件,再进行环氧灌封。对此结构来说,无槽定子绕组的嵌

线、成型等加工工艺方法是技术的关键。

1.3  无铁心结构的高速无刷直流电动机

   无铁心结构的高速无刷直流电动机彻底消除了铁耗,因此具有更加优异的性能,可以应用于超高速场合。其设计特点及关键技术仍然是无铁心电枢定子的设计、加工成型、灌封及固定。其电枢绕组的嵌线、成型与无槽结构的加工方法基本一样。

1.4  轴承问题

   高速无刷直流电动机的轴承,在设计中要充分考虑以下几点。

1 轴承的选用。由于高速无刷直流电动机轴承的损耗较大,其发热会直接影响轴承寿命。在轴承负载要求许可条件下采用尺寸小的轴承,并尽可能选用高速专用滚珠轴承,必要时可采用陶瓷轴承、空气轴承和磁悬浮承。

2) 一般情况可用轴承自带油脂润滑,必要时可进行油雾润滑及冷却。

3) 轴承的装配及使用也很讲究。轴承档与轴承室配合要合适,太紧损耗会增加,太松轴承套会发生打滑而产生高热,从而导致轴承的损坏。使用中还应对轴承施加一定预紧力。

1.5  转子问题

 高速无刷直流电动机的转子,在设计中要充分考虑以下几点。

1)转子的强度。由于高速旋转时转子要承受较大的离心力,转子上一般粘有永磁体,因而应对其进行加固处理,可增加非导磁护套或者用无纬玻璃丝带缠绕后再加热固化。

2)转子动平衡。由于转速高,因此应做精度较高的动平衡。设计时要尽可能使转子质量相对中心轴线均匀分布。

3)转子表面状态。高速电机转子表面应尽可能光滑、均匀,以减小风摩耗。

2  几种典型高速无刷直流电动机的应用

  笔者针对生物工程中高速离心分离机开发了90ZWSG01高速无刷直流电动机。其指标为:电源电压220V,50Hz,最高工作转速为20000r/min(可闭环下调),功率300W,噪声不大于60dB,表面温升不大于25°C,电机本体体积为090mm×130mm。此产品设计为传统的有槽结构,在机壳外圆增加了环形散热片。其电磁设计与结构设计贯

彻了前述的设计思路,因此在高转速时仍能保持较低的温升和较小的噪声。其驱动器直接采用220V、50Hz供电方式,为用户提供了较大的便利。其隔离技术可使控制端安全可靠,同时还具欠压、过流、逻辑错、过热等保护功能。正因为其优异的性能特点,使其在医疗、生物工程等高速离心分离机上得到了良好的应用。

   针对某重点军工项目,研制了航天泵用36ZWGC03A高速无刷直流稳速电动机。其指标为:电压27±3V、转矩0.033N·m、转速11000r/min,开环效率为83%左右,闭环效率不小于70%;电机本体体积(p36mm×75mm。该电机为无槽结构,驱动器与电机组装为一体,电机本体具有很好的密封性能,内有介质循环冷却系统。

   针对卫星上用“飞轮电池”进行了无铁心高速无刷直流电动机的方案设计。其指标为:电压95V、功率350W、最高转速80000r/min。该电机采用磁悬浮轴承,飞轮与电机置于一真空容器内,因此电机无铁耗,机械耗也很小,直流电阻仅O.5Ω,因而铜耗也很小,计算效率可达97%。

   总之,高速无刷直流电动机具有其他种类高速电机不可比拟的优异性能,它必将在高速领域一展风采。

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