分数槽集中绕组无刷直流电动机绕组结构对比

朱智平，章黎明，陈方红

(横店集团联宜电机有限公司，浙江东阳322118)

0 引 言

在无刷直流电动机中采用分数槽集中绕组已经非常普遍，但几乎所有的场合都是采用双层绕组，分数槽双层集中绕组以其端部尺寸小、功率密度大、适合机器自动绕线等优点，成为各大电机厂家首选的设计方案。然而，几乎很少有人会联想到分数槽单层集中绕组。

本文以6槽8极的无刷直流电动机作为研究对象，针对分数槽绕组单层和双层结构，应用Ansoft软件，计算了电机的气隙磁密、电感、电流、功率和扭矩，通过性能对比，对两者进行更全面的了解，根据它们的特点，可以更合理地进行产品设计。

1 电机模型和绕组结构

1.1 电机模型

本文以6槽8极无刷直流电动机为例，具体尺寸如下:定子外径42 mm，定子内孔22 mm，定子长度60 mm，转子外径20.5 mm，极弧系数0.75。将电机结构参数输入Rxmprt模块，编译仿真后，自动生成Maxwell 2D模型。

对照电机实际结构，利用Maxwell 2D模型编辑器对模型进行适当优化，模型经过加载、剖分、求解后等过程后，得到电机二维磁场分布。求解区域网格剖分如图1所示，图2为磁场分布云图，图3为气隙磁密分布图。

1.2 绕组结构

根据槽电动势星形图，很容易得到绕组分布图。图4(a)为双层集中绕组结构图，图4(b)为单层集中绕组结构图。在该实例中，双层绕组电机中线圈组 A1、A2、B1、B2、C1、C2的匝数分别为 23 匝，而单层绕组电机中线圈组A、B、C的匝数分别为46匝。这两种电机结构其余零部件均相同，由于采用相同直径的漆包线，显然两种电机的槽满率也是相同的。

图4 集中绕组结构

2 性能计算参数对比

双层绕组电机和单层绕组电机的参数几乎一模一样，电机的总匝数和电阻也一样，两者在性能上会有什么差异?考虑到线圈分布位置的不同可能会产生不同电感，而电机电感又会对电机机械特性产生巨大影响，因此决定通过Maxwell 2D对该电机的两种绕组结构的电感进行计算。通过计算，发现两者的电感差异很大。具体如下:

双层绕组计算电感:

单层绕组计算电感:

式(1)和式(2)中的电感矩阵数值为电机长度为1 m的数据，该数据还需乘以0.06，显然，单层绕组的电感约为双层绕组的电感的2倍。

得到电感数值的差异后，要对电机性能进行计算对比。性能指标具体对比情况如图5～图8所示。

图8 转速力矩曲线

3 两种结构原型机的实验测试

采用三相六状态标准驱动方式对这两种不同绕组形式的电机进行驱动，并用测功机系统对它们的机械特性进行了测试。样机实物图如图9所示，电机的实际数据与Ansoft计算结果有一定偏差，但整体上来说还是比较吻合的。下面以某个固定力矩值进行比较，此处以客户指定的力矩点0.5 N·m为例，具体对比数据如表1所示。

图9 样机实物图

表1 不同绕组形式的对比数据

4 结 语

通过以上Ansoft计算和样机实物测试，可以得出以下结论:

单层绕组结构电机比双层绕组结构电机电感大。由于电感因素的影响，单层绕组电机机械特性明显比双层绕组电机要软，因此单层绕组电机机械特性类似于串励电机特性，非常适合于电动工具等行业使用，在过载情况下电机也不容易烧毁。而双层绕组电机机械特性较硬，基本上为线性变化，机械特性类似于永磁直流电动机。单层绕组电机相对于双层绕组电机而言，电机的最大输出功率较小，在低速过载情况下电流较小，效率较高。

通过以上对比，在以后的电机选型过程中，可以根据电机的实际使用情况，合理地选择合适的绕组方式，以便充分发挥利用好电机的机械特性。

［1］汤蕴璆，史乃.电机学［M］.北京:机械工业出版社，2005:101－102.

［2］赵博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010:150－199.