基于Halbach阵列的多盘式无铁心永磁同步电机设计研究

微电机２００７年第４０卷第２期（总第１５８期）　中图分类号：ＴＭ３５１　ＴＭ３４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－．６８４８（２００７）０２－００２６－０３　基于Ｈａｌｂａｃｈ阵列的多盘式无铁心永磁同步电机设计研究　王晓远　，赵方　，杜静娟　，齐利晓　，唐任远　（１．沈阳工业大学，沈阳１１００２３；２．天津大学，天津３０００７２）　摘要：介绍一种基于Ｈａｌｂａｃｈ阵列的多盘式无铁心永磁同步电动机。电机采用单元电机组合式　的结构型式。电枢无铁心、重量轻、噪声小、效率高。介绍了电机基本设计规则，并对其关键　工艺进行研究，最后给出了样机的有关参数。　关键词：盘式；设计；Ｈａｌｂａｃｈ；无铁心；永磁同步电动机；结构　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－ｄｉｓｃ　Ｃｏｒｅｌｅｓｓ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｈａｌｂａｃｈ　Ａｒｒａｙ　ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙｕａｎ　，ＺＨＡＯ　Ｆａｎｇ２，ＤＵ　Ｊｉｎｇ－ｊｕａｎ　，ＱＩ　Ｌｉ—ｘｉａｏ　，ＴＡＮＧ　Ｒｅｎ—ｙｕａｎ　（１．Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１　００２３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｃ　ｃｏｒｅｌｅｓｓ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｈａｌｂａｃｈ　ａｒｒａｙ．Ｕｎｉｔ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｐｌｉｆｙ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ．　Ｎｏ　ｉｒｏｎ　ｉｎ　ａｒｍａｔｕｒｅ　ｌｉｇｈｔｅｎｓ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ，ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｙａｗｐ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ．　Ｂａｓｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｕｌｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｎｄ　ａｔ　ｌａｓｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ａ　ｓａｍ—　ｐｌｅ　ｍｏｔｏｒ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：Ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｃ；Ｄｅｓｉｎｇ；Ｈａｌｂａｃｈ；Ｃｏｒｅｌｅｓｓ；ＰＭＳＭ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　０　引　言　基于Ｈａｌｂａｃｈ阵列的多盘式无铁心永磁同步电动　机，以求克服上述缺陷。　数控机床、工业机器人、机械手、计算机及　其外围设备等高科技产品对伺服驱动电机提出了　１　电机结构　更高的性能指标和薄型安装结构的要求。盘式永　本文所设计的基于Ｈａｌｂａｃｈ阵列的多盘式无铁　磁同步电机因轴向尺寸短、重量轻、运行效率高、　心永磁同步电动机的基本结构如下图１所示（内转　动态性能优越等特点成为一种理想的驱动装置。　子结构）。电机采用的是单元电机组合式结构。这　电机若制成多定子、多转子的盘式结构，可进一　种结构可以充分发挥Ｈａｌｂａｃｈ阵列优越的聚磁功　步提高转矩，适用于大转矩直接驱动装置。同时　能，同时在已有的单盘式电机制作工艺的基础上，　也因为盘式电机尺寸过大时会增加加工工艺的难　不额外增加加工工艺的难度。电机的外壳以及单　度，有时候相关的数据尺寸难以保证，所以为了　元盘之间的粘接盘均采用铝合金材料。　进一步提高电机的转矩，也一般采用多盘式结构。　永磁体采用具有高矫顽力和高剩磁密度的钕　考虑到有铁心电机在运行时，由于齿槽效应，电　铁硼永磁材料。电枢采用无铁心的结构，可以减　磁转矩会产生脉动。也由于铁心的存在导致了电　少由齿槽效应引起的电磁转矩脉动，不受饱和的　机的重量增加及转动惯量增大，严重影响电机的　影响，解决了因铁心存在而导致的体积大、重量　动态性能和电机的运行效率。本文设计并制造了　大、损耗大、振动噪声大等问题，大幅度减轻了　电机重量，同时也提高了电机的效率。　收稿日期：２００６－０６－０７　本设计中的电机电枢无铁心，每个单元电枢　基金项目：国家８６３计划项目（２００２ＡＡ３２４０２０）　的电抗和电阻很小。若单元电机问线圈采用并联　一２６一　维普资讯 http://www.cqvip.com

基于Ｈａｌｂａｃｈ阵列的多盘式无铁心永磁同步电机设计研究王晓远　赵　方杜静娟　齐利晓唐任远　方式，那么当两个单电机制作稍有差异而导致电　压略有不同时，则单元电机间的环流会很大，产　生很大的损耗，严重影响电机的性能，所以本设　永磁体外径Ｄ　／ｃｍ　ｃｍ　１８　计中单元盘线圈的连接方式为串联。　图１　基于Ｈａｌｂａｃｈ阵歹Ｕ的多盘式无铁心永磁　同步电动机结构　２基本设计规则及设计参数　当外径Ｄ。　给定时，可以通过确定最佳直径比　ｙ来获得电机最大输出功率Ｐ　。　ｙ＝Ｄ。　／Ｄｉ　（１）　Ｐｅ一　ｍ：　ｊ　（２）＼一，　　对式（２）求极值，可得当ｙ＝　时Ｐ　最大　］。　通过对不同角度的Ｈａｌｂａｃｈ阵列的盘式无铁心　永磁同步电机进行仿真，得出以下结论：随着构　成Ｈａｌｂａｃｈ型永磁体阵列每极永磁体块数的增加，　气隙磁场波形正弦化的趋势越来越理想。但是随　着每极块数的增加，构成Ｈａｌｂａｃｈ永磁体阵列总的　永磁体块数也随之增加，相应的每一块的几何尺　寸减小，从加工工艺的角度考虑，尺寸太小不利　于加工。设计中根据永磁体尺寸和极数综合考虑　选择了４５。Ｈａｌｂａｃｈ型阵列。电机的相关设计参数　如表１。　表１　多盘式无铁心永磁同步电机设计参数　性能指标　参数　功率／Ｗ　转速／ｒ／ｍｉｎ　相数　输入频￣ｇ／Ｈｚ　单元电机数　极对数　线圈数（３相）　每相匝数　线径／ｃｍ　永磁体内径Ｄ。　／ｃｍ　单侧气隙／ｃｍ　０．１　单侧永磁体厚度／ｃｍ　０．６　效率／％　９３　功率因数０．９９　每个单元盘永磁体间的气隙采用的是楔形气　隙结构。均匀气隙结构的盘式电机将不同半径处　的气隙长度设计成一样，但是由于外径处绕组较　内径处要薄一些，造成外径处的气隙有较大的裕　度，本文将电机设计成外径处气隙为０．５４　ｃｍ，内　径处气隙为０．８　ｃｍ的楔形气隙结构，整个电机的　等效气隙长度也相应变小，进一步提高了气隙磁　密，有利于力能指标的提高。　单元盘之间的永磁体排列方式有两种：（Ｎ—ｓ）　（Ｎ—Ｓ）……ｊ｛｝列与（Ｎ—Ｓ）（Ｓ—Ｎ）……ｊ｛｝列。图２、　图３所示是两种结构永磁体排列的周向展开图。　图２（Ｎ—Ｓ）（Ｎ—Ｓ）……排列周向展开图　图３（Ｎ—Ｓ）（Ｓ—Ｎ）……排列周向展开图　对这两种结构做二维电磁场仿真分析，结果　表明，两种结构情况下的气隙磁密波形变化基本　一致，但是（Ｎ—Ｓ）（Ｎ—Ｓ）……结构较（Ｎ—Ｓ）（Ｓ　—Ｎ）……结构在平均半径处的气隙磁密峰值要大，　更有利于提高电机的性能，所以本文中的电机选　用的是（Ｎ—ｓ）（Ｎ—ｓ）……结构的永磁体排列。　３关键制作工艺研究　由于无铁心电机无齿槽，绕组线圈要由环氧　树脂浇注而成，形状和尺寸精度要求严格，线圈　成型、刚度、粘结的难度加大，绕组的整个制作　工艺难度增大，要保证成型好且均匀分布，因此　解决相应的工艺装备问题十分重要。　在本文中通过样机的制作，对盘式无铁心永磁　一２７一　维普资讯 http://www.cqvip.com

微电机２００７年第４０卷第２期（总第１５８期）　电机电枢盘制作的工艺总结如下：１）绕线：选取图　纸规定的漆包线及匝数，绕制线圈；２）整形：用整　形胎做成图纸规定的形状；３）下线：按绕组接线图，　将线圈放入电枢下线模内，并接线；４）绑扎：将线　圈小径及大径处，用线绑扎牢固，电枢盘即成一体；　５）脱模：将电枢绕组从电枢下线模上脱下；６）注胶：　注模内腔涂脱模剂，将电枢绕组及轴套置于注模内，　并注入环氧胶；７）脱模并整理：在胶充分固化后，　打开注模，整理电枢盘。　本文所设计的多盘式电机为单元电机结构，　轴为单轴，但是固定定子绕组盘的机壳为单个，　各个单元电机的定转子盘必须依次安装且要准确　定位，为此安装前在各个盘上分别作了定位标志。　４样机制作　本文依据表１的数据成功地制作了样机。电机　为内转子结构。通过实验获得了令人满意的实验　结果。　文中还设计研究了４个单盘的电机，以进一步　提高电机的力能指标。其结构如图４所示。　图４　４个单元盘电机结构图　一２８一　５　结束语　本文对基于Ｈａｌｂａｅｈ阵列的多盘式无铁心永磁　同步电机设计规则进行相关的研究，讨论了变气　隙及多盘时的永磁体排列，还对其加工制作工艺　进行了概括和总结，成功的研制了５００Ｗ双盘单元　电机组合式结构样机，样机的各项性能均达到了　设计的要求。　参考文献　［１］唐任远　现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，１９９７．　［２］　陈金涛，辜承林　轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的设计　［Ｊ］．微电机，２００２，３５（２）：１４—１６　［３］　易通渊　盘式电机电枢固性模塑料注射模及工艺［Ｊ］．微电　机，２０００，３３（３）：３５—３６，３９　［４］　王民生，张侠．无铁心无刷直流电动机的设计［Ｊ］　微电机，　２００５，３８（６）：８２－８３，１０４　作者简介：王晓远（１９６２一），男，副教授，博士研究生、硕　＋牛导师。研究方向为新型电机设计与应用及电机电磁场。