高集成度双传感器微型无刷电机的设计

吴贵川，杨荣江，董江峰

(1.贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳550008；2.国家精密微特电机工程技术研究中心，贵州贵阳550008)

0 引言

在各种无人设备和智能化设备飞速发展的今天，电机在其中占据着举足轻重的作用。比如现在很多国家都在研究的服务机器人(Service Robots)，而服务机器人最显著地一个特点就是自由度(DOF)较多，而每一个自由度就意味着一个伺服电机系统，通常一个服务机器人的自由度在15以上。也就意味着至少需要15个以上的电机。而在大部分伺服电机系统中都以无刷机为主。

大部分无刷电机的直流电动机采用的传感器为霍尔传感器，该类型电机的结构简单，性能稳定，成本较低，因此得到了广泛的应用。但同时缺点也很明显，霍尔传感器的精度偏低，而且单个传感器在使用安全上也有一定隐患，如果单个霍尔元器件坏掉整个电机就无法正常使用[1]。因此，为获得较高的控制精度与精确的信息反馈，某些电机在尾部加上一个非接触式磁旋转编码器。该编码器可提供12位的分辨率，工作速度快，抗污染能力强，防护等级可达IP68。这样既提高了控制精度，又防止在某个传感器出问题时电机无法正常使用，大大提高了电机使用的可靠性。

1 双传感器微型无刷直流电动机设计思路

一般的无刷直流电动机结构简单，控制方式也相对容易，但由于霍尔元器件的限制，控制精度较低，存在一定的安全隐患。永磁同步电机控制精度高但是控制方式相对复杂。为了增加控制精度且不增加控制难度，可增加一个非接触式的磁编码器。由于编码器的结构定转子分体非接触式，编码器转子嵌入电机转尾端，编码器定子与其在轴向分开一定距离，所以该编码器只能装在电机尾端。电机设计时需考虑电机的使用工况，如振动、冲击、工作时长、工作效率等等。需通过合理的结构布置、电磁设计等方式来满足需求。

该种电机由于空间紧凑，功率较小，且为长时工作，一般需解决以下问题：

1)电机的结构布置；2)电机铁耗；3)齿槽转矩；4)电机的温升。

2 电机结构的布置

电机尺寸较小，空间非常紧凑，结构布置必须合理，需要将各零部件尺寸都尽量压缩。壳体采用不锈钢结构，保证强度的同时能得到较大的内部空间。磁旋转编码器为非接触式，定转子分开，虽然径向尺寸很小，但轴向尺寸并不小，较占空间。磁旋转编码器的转子为光滑圆柱结构，需固定在电机转子上。电机为双方向旋转，编码器转子固定时需考虑防松装置。该电机是制作专用护套一端将编码器转子固定在其腔体内，另一端通过内螺纹嵌入钢丝螺套固定在电机转子上。霍尔采用立焊结构，霍尔传感器金属面平行于电机轴线，这样可以节省径向空间，同时用专用支架将霍尔元器件固定，作为保护。轴承采用法兰轴承以减小轴向空间的占用。

一般无刷直流电动机结构简图如图1，主要由定转子、轴承、端盖、霍尔组件等构成，且空间较充裕。图2为某型双传感器微型无刷直流电动机结构简图，由图2可看出电机在结构上要复杂不少，也更为紧凑。图3为与其结构一致的实物图。由图可看出该电机小于1元硬币的直径(1元硬币直径为25 mm)，长度小于48 mm，额定功率约为5.5 W，空载时转速可达将近20000 rpm，且为长时工作，能达到机载设备的各项要求。

1-轴承；2-定子；3-转子；4-霍尔组件；5-端盖。图1 一般无刷直流电动机结构图

1-轴承；2-定子；3-转子；4-霍尔组件；5-端盖；6-后端盖；7-编码器桩子；8-盖板；9-编码器定子。图2 某型双传感器微型无刷直流电动机结构图

3 电机损耗

3.1 铜耗

电流通过电机绕组时，由于绕组电阻的原因产生热量，即为铜耗。铜耗的多少直接影响着电机绕组的温升[2]。电机的铜耗为：

PCu=mI2R

(1)

图3 电机实物图

式中：m为电机相数；I为电机电流；R为电机电阻。以图3电机为例，相数为3，额定工况下相电流约为0.25 A，常温下的相电阻为2.15 Ω，最后结果为0.4 W，相对输出来说非常小了，所以在此类功率小的微型电机中，铜耗可不用太过关注。

3.2 铁耗

对于功率不到10 W的微型电机，电机的效率是很低。由于铜耗所占的比重很小，相对的，铁耗所占比例就会较高。在设计过程中，铁耗可简化为式2计算：

PFe=Ph+Pc

(2)

式中：PFe为铁耗，Ph为磁滞损耗，Pc为涡流损耗。

(3)

式中：Kh为磁滞损耗系数；对一般硅钢片α取1.6～2.3；f为电机磁场的交变频率；Bm为磁密幅值。建立Ansoft模型，磁滞损耗由Ansoft计算[3]，电机为分数槽时曲线如图4。

图4 分数槽时电机的磁滞损耗

图5为分数槽时电机的涡流损耗[4]。

图5 分数槽时电机的涡流损耗

由图4、图5可看出，分数槽时电机的磁滞损耗和涡流损耗分别为5.9W、2.8W，铁耗过大，达到了8.7W，严重影响电机的性能。改为整数槽之后电机的损耗见图6、图7。

图6 整数槽时电机的磁滞损耗

改为整数槽之后电机的磁滞损耗和涡流损耗分别为2W、0.4W，铁耗降为2.4W，比分数槽时小很多，在可接受范围。假设其他损耗为0.2W，则电机的效率约为6/(6+2.4+0.4+0.2)≈0.667，也就是说效率可达66.7%。

图7 整数槽时电机的涡流损耗

4 齿槽转矩及其削弱方法

无刷电机的齿槽转矩是电枢铁芯的齿槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩。由于齿槽转矩的存在会增大电机最初的启动转矩，这对一般的电机问题不大，但对于功率不到10W的小电机来说影响就很大了。

齿槽转矩的表达式为：

(4)

式中：Φm为永磁磁通，R为气隙磁阻。式(4)表明齿槽转矩与永磁磁通的平方成正比关系。可见，如果适当降低磁通密度，可以降低齿槽转矩，但同时也降低了电机的性能。因此，减小dR/dθ是抑制齿槽转矩的可行办法。由此得到的可降低齿槽转矩的主要措施有：分数槽绕组、优化磁极极弧和槽口宽、斜槽和斜极、磁极分段错位、磁极偏移等。该电机不能用分数槽，考虑到电机的工艺性，磁钢易碎不易加工等情况，所以将消除齿槽转矩的方法定为电枢斜槽。

转子每一转出现的齿槽转矩基波周期数等于定子槽数Z和极数2p的最小公倍数Nc，即一个齿槽转矩基波周期对应的机械角θ1=360°/Nc。因此，如果定子铁芯的斜槽角和它相等，即可消除齿槽转矩的基波：

θsk=360°/Nc

(5)

该电机为4极12槽结构，按式(5)计算出斜槽角度为30°。由于电机的空间限制，定子铁芯的长度只有不到13mm，斜槽之后嵌线会难度增加，所以槽满率必须控制在较低的一个范围，嵌线困难时可考虑采取分段槽契。

5 电机的温升

电机中主要热源有铁耗，铜耗[5]。由于轴承摩擦损耗分析过程分析涉及到耦合场仿真问题，较为复杂，可暂不考虑，主要考虑铁耗，铜耗。工况均假定周围环境温度为70℃，考虑最严酷的散热工况，电机通过机壳表面与空气对流换热和辐射散热[6]。对电机稳态温度进行仿真。该电机为长时工作制，一次工作20000s，用稳态温度场计算电机稳定后的工作温度，得到各部件最高温度，见表1。

表1 各部件最高温度分布

温度曲线及各部分温度分布见图8、图9。

图8 温度曲线

图9 温度分布图

从分析结果可以看出，电机的温度分布中，最高温度产生在绕组部位为130℃。对于一般电机来说完全不是问题，也就是说该电机完全可以满足长时工作的需求。

6 结语

该电机在设计过程中须合理安排好各零部件的结构及尺寸分布，考虑磁旋转编码器转子的防松。由于电机功率小，各种损耗对电机都有可能造成很大影响。目前该类型电机已出了两款，经过试验后性能很好，满完全足GB 1863A-2015及主机提出的功能试验及环境试验要求，在高集成度的同时提高了控制精度，减小了尺寸。