空心杯电机绕组应用研究

空心杯电机绕组应用研究

吴贵川

贵州航天林泉电机有限公司  贵州省 贵阳市550081

摘要：本文介绍了空心杯电机结构设计的方法，分析了影响空心绕线杯绕组参数设计因素，提高了绕组利用率及可靠性。

关键词:空心杯;无刷电机;绕组设计

0引言

空心杯电机属于永磁、直流、伺服微型特种电机，有许多优良特性，例如稳定的运行特性、突出的节能特性和灵敏方便的控制特性。与传统电机的转子结构不同的是，空心杯电机采用的是无铁芯转也叫空心杯形转子。避免了由铁芯转子结构的内部涡流而产生的电能损耗。而且，空心杯电机的转动惯量和重量都明显低于普通电机，因此在电机运行过程中转自身的机械能损耗也会有所降低。转动惯量、重量、密度相对减少使得空心杯电机具有良好的控制特性，起动、制动迅速，响应极快，空心杯电机还具有良好的拖动特性、抗电磁Ｔ扰能力强、重量轻、体积小等优点。目前，国内对空心杯无刷电机的研制还处于发展阶段，研究方向以同心式绕组形式为主流方向，主要还停留在绕组结构形式、性能分析、工艺流程探索阶段，与国外成熟产品还存在一定差距。本文分析了空心杯无刷电机绕组不同结构形式绕制方法，给出影响绕线杯设计的关键参数。

1产品结构

空心杯电机体积小、质量轻，主要由定子组件、空心杯组件、传感器组件、转子、端盖、轴承等组成。为减小齿槽转矩，降低起动转矩，定子铁心采用无齿槽结构，三相定子绕组采用绕线杯结构。位置传感器采用开关型霍尔元件，传感器磁钢与主磁钢转子同轴连接，霍尔位置的精确定位通过绕线杯位置及传感器调节进行固定。绕线杯结构是实现空心杯无刷电机降低齿槽转矩的关键部件，其绕线杯独立线圈周向对称安装分布均匀性、绕线杯绕组固定方式、引出线的焊接等均是产品实现的关键。因此，绕线杯绕组在结构上主要由三相对称分布的绕组、绕组固定支架、引出线焊接板组成。

2线圈绕组设计

空心杯电机线圈绕线机是一台可以完成空心杯电机线圈的绕制，并且实现精密排线的高度自动化设备。空心杯电机线圈绕法有直绕式、斜绕式、3)菱形绕组式三种形式。

2.1直绕式

直绕式是指元件有效导体部分与电枢轴线平行的绕组，属于集中绕组。绕制时先按匝数要求在绕线模上绕制成普通环形的漆包线元件，在排线芯轴上按绕组展开图连成绕组，两端部涂以适当的粘接剂并固化成型。这种绕制方法槽满率较高，绕线杯中部壁薄，但由于绕制线圈时漆包线排布不整齐有堆叠，故整个电枢杯线圈排布较乱，且排线时端部须留有走线余量，从而导致端部尺寸较高。

图1直绕式平面连接图

2)斜绕式

斜绕式也称蜂房式绕组，采用蜂房式绕法制成，中间留抽头，为了能连续绕制，必须使元件有效边和电枢轴线成一定倾斜角度。绕线时需制作专用的绕线芯轴，芯轴上插有两排销钉。芯轴的外圆即为电枢杯的内径，销钉的位置按照绕线展开图排布，销钉的行距即为电枢杯的长度。绕线时将芯轴装入人工绕线机上，操作者转动绕线机的手柄，则芯轴跟随绕线机做回转运动，漆包线即缠绕在芯轴上。这种绕制方法端部尺寸较小，但由于斜绕式连续绕制需要一定的排线角，使得漆包线交叠，槽满率较低。

3)菱形绕组式

菱形绕组式采用先绕制成形线圈再排线的方法，即采用自粘性漆包线在专用成形绕线模上绕制，经过多次整形排布制成电枢杯。绕制时两层线圈排布整齐并定型，便于控制整形后电枢杯的尺寸，提高槽满率;同时这种方法生产效率高，适合批量生产。

图2菱形绕组式示意图

3菱形绕线杯参数设计

电机极槽(虚拟槽)配合在无刷电机设计中是非常重要的一个环节，合适的极槽配合可以使得电机各项性能更能满足指标要求。对于空心杯电机，一个合适的极槽配合影响更大，不但影响电机电磁设计参数，更会影响绕组杯子的绕制工艺，进而影响电机的性能参数、加工成本和效率等。由于空心杯无刷电机体积小、转速较高、静摩擦力矩更小，因此，电机极数不宜过多，一般选用2极或4极。

菱形空心杯电机是由数个菱形线圈按照一定的规则排列而成。由于菱形线圈存在一个斜度，所以其绕组系数要较相同极槽配合的直槽电机小。同时，其绕组系数又与铁心式电机不同，空心杯绕组的绕组系数还与磁钢的长度有关。随着磁钢长度的增加，绕组系数呈现先增后降的趋势，在某一个特殊位置出现绕组系数的最大值，当超过这个长度后，绕组系数会下滑，也就是说，当磁钢长度超过某个长度后，相同绕组的情况下，随着磁钢长度的增加(不超过绕组长度)，磁钢的利用率开始降低;同时电机的磁链增加也不会很明显，甚至开始下降。因此，在永磁体长度选择时应结合产品质量和机电时间常数要求，利用最佳点原则，即磁钢长度选择在绕组系数最大值附近原则，进行产品设计。

4结语

本文阐述了空心杯线圈精准机在空心杯电机发展中的重要性，，提出了新型空心杯电机线圈精准机的设计要求。分析了空心杯无刷电机绕组不同结构形式绕制方法，重点分析了菱形绕线杯的结构形式及绕组参数设计方法，菱形绕线杯绕制、整形、固定方式对提高绕线杯工艺性起到了推动作用，具有重要的工程应用价值。

参考文献：

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