大功率永磁无刷直流电机结构设计

范 军

(湖北汉丹机电有限公司，湖北襄樊 441000)

0 引言

随着电力电子器件、永磁材料、微机、新型控制理论和电机理论的发展，无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)的技术优势逐渐凸显，近年来在各种驱动、伺服和控制领域得到了迅速推广。大功率BLDCM在国外已经成功应用于对系统效率、可靠性要求较高的场合，在国内，近年来也引起了广泛兴趣。大功率永磁BLDCM具有效率高、调速性能好、可靠性高、转矩特性优异等优点，但是大功率BLDCM转子磁钢磁性能很强，造成转子入机座、轴承卸装、注油储油等工序生产难度很大，而且大功率电机的轴电流对轴承伤害大，对轴承的保护需要消除轴电流。该结构独特的设计之处是端盖具有转子入机座的导向孔，在轴承装卸时转子不会吸上定子铁心;轴承座储油系统单独设计注油孔和出油孔，并采用两道骨架油封密封;轴伸端有甩水环，后轴采用背靠背结构角接触轴承，便于卧式试验，在后轴端设计炭刷消除轴电流。下面重点介绍端盖、轴承座、后轴等结构和原理，以及设计时需要注意的一些问题。

1 端盖的导向结构设计

图1是BLDCM的装配图。从图1可以看出两个端盖分别安装在电机机座的两端，并用螺母固定，与普通端盖不同之处如下:前后端盖都有很长一段转轴导向孔，转轴入定子工序采用立式安装方式，将定子固定在工作台上，转子轴伸端装有长的导向套，当导向套进入端盖导向孔时，转子就能竖直装配，然后装上后端盖，后端盖也有限位孔，取下导向套，定、转子就不会吸在一起。

设计时应注意:(1)端盖导向孔与导向套之间尺寸应小于定、转子间气隙尺寸;(2)转轴限位与转轴导向套一致;(3)导向套长度要能够保证转子铁心全部入机座。

图1 大功率BLDCM装配图

例如:定转子气隙3.5 mm，端盖孔φ206 mm，转轴该处尺寸φ205 mm，即转轴只有1 mm的运动空间，小于气隙尺寸。导向套外圆尺寸也应设计为φ205 mm，从而达到导向限位作用。

2 轴承座的设计

以往常规设计轴承室在端盖里，一旦轴承需要更换时，必须将转子全部拉出，换好后再入定子铁心，操作复杂，容易造成轴承损伤。该结构轴承座独立装配，在户外、现场维护施工效果明显，不需要拉出转子，即可更换轴承，大大提高了设备维护的质量和效率。

大功率BLDCM在运行一段时间后，要达到不需要拆卸即可重新加入润滑脂，并将旧脂排出的要求。根据《电机轴承使用手册》的要求，首次运行前，要用煤油、汽油清洗轴承，清洗液排空后再注入新油;靠油室润滑的滑动轴承，在运转8 000～10 000 h后，需重新清理注油。

图2为轴承座结构。加入润滑脂时，用油枪从图2中的注油管打入，能够将润滑脂充满整个轴承，随着润滑脂的加入，废润滑脂就会从另一个出油孔排出，从而实现润滑脂的更替，满足电机轴承润滑需要。从图1可看出，前轴承座装有两层骨架油封结构，第一层是轴承盖内的骨架油封，防止外界水、蒸汽等液体进入电机内部;第二层是轴承座前的骨架油封，防止轴承室内润滑脂溢出。

后轴承座采用轴承挡圈结构，电机为立式安装，后轴采用背－背角接触轴承，便于卧式试验需要。挡圈用来固定轴承外圈，挡圈上开有进油孔，油脂通过油嘴进入轴承室，轴承前端采用锁紧螺母固定。图2中霍尔电路板固定在后轴承座上，当电路板出现故障时，可打开后罩，直接调试、更换电路板，对电机整体的结构改动不大，可提高维护效率。

图2 前、后端盖结构图

3 防水结构设计

根据国家标准GB/T4942.1旋转电机外壳防护分级(IP)，对旋转电机外壳的防护等级作了具体规定，小型电气产品常选用较高的防护等级，一般不低于IP53，常用的有IP54、IP55、IP65。因此，电机产品合理设计密封结构尤为重要。户外型旋转电机多采用甩水环曲路结构，静止接触面多采用止口结构、密封填料函、O型圈等方式。

该设计采用多种密封手段:

(1)甩水环结构。轴伸端采用甩水环结构，当电机旋转时，离心力将液体甩出，防止液体进入电机内部。图1中，甩水环边角凹口向外，更容易甩出液体。一般设计甩水环厚3～5 mm，与轴过盈配合，采用热套的方式。

(2)O型圈和止口密封结构。电机平面静密封采用O型圈，止口较深，设计为10～15 mm，配合O型圈使用，能够起到很好的密封效果。

(3)填料函密封结构。电缆出线盒采用填料函的结构，出线盒与机座间有橡胶垫，并用压板固定，涂环氧固化;外部电缆使用IP65的防水接头。

采用上述方法，整机能达到有效防止灰尘进入，承受任何方向喷水无有害影响的IP55等级要求。

4 消除轴电压和轴电流的设计

轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压，其产生原因一般有以下几种:

(1)磁不平衡。电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁心槽、通风孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。

(2)逆变供电产生轴电压。电动机采用逆变供电运行时，由于电源电压含有较高次的谐波分量，在电压脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应，使转轴的电位发生变化产生轴电压。

(3)静电感应产生轴电压。在电机运行的现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的两端感应出轴电压。

在电机运行过程中，如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在，那么电机轴承的使用寿命将会大大缩短，同时由于轴承损坏及更换带来的经济损失很大。在电机起动时，轴承内的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜而放电，构成回路，轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过，瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，由于转轴硬度及机械强度比轴承合金的高，通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。

为了避免轴电压和轴电流对轴承的严重影响，目前有两种结构设计:

(1)在轴端安装接地炭刷，以降低轴电位，使接地炭刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，以此消除轴电流。

(2)在轴承座和轴承支架处加绝缘隔板，以切断轴电流的回路。

如采用绝缘轴承座的方式，给生产、加工、装配带来一定难度，大功率永磁BLDCM的轴承座强度也很难保证。因此采用第一种方式，从图3可以看到轴端加炭刷，与转子接触并接地，很好地消除轴电流的影响。通过以上处理，电动机的轴电流微乎其微，已不会对电机构成实质上的危害。现场实践证明，经上述方式处理后实际使用寿命可由原来的几十个小时提高到上万小时，效果比较明显，尤其对高压电机轴电流的防范效果好，对安全生产具有积极作用。

图3 防轴电流炭刷结构

5 结 语

大功率永磁BLDCM转子磁力很大，装配难度较高，根据实际工况对电机轴承选型，密封性能更是设计的重点。本文介绍各主要零部件的设计原理和思路，导向定位的装配方式在长期使用中效果显著，甩水环的使用、止口的配合尺寸、O型圈的开槽尺寸直接影响到电机的防护等级和使用寿命，轴电流的处理方法也直接影响电机轴承的使用，文中的结构设计能适应恶劣的工作环境，具有一定的推广价值。

［1］黄国治，傅丰礼.中小旋转电机设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［2］宋昌才.电机轴承使用手册［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［3］王秀和.永磁电机［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［4］徐君贤.电机与电器制造工艺学［M］.北京:机械工业出版社，2006.