新型三定子直流无刷电机的设计与特性分析

传统直流无刷电机齿槽分布受限导致气隙磁场波动,会造成转矩输出波动较大,故需要同步匹配设计复杂的驱动控制系统与控制算法。为此,提出一种新型的三定子直流无刷电机拓扑结构。通过等效磁路法计算出三定子直流无刷电机的主要结构尺寸。设计了三定子直流无刷电机的绕线方式和换向逻辑,驱动控制简单。基于Ansoft maxwell仿真软件,建立了电机有限元模型,仿真分析了电机静态磁场分布、气隙面域磁密分布和空载反电动势等。得到了三定子直流无刷电机的转矩特性:其转矩峰值可达8.5 N·m;电感特性:其三相绕组间磁场相互解耦,互感为0,自感平均值为4.5 mH;效率与损耗特性:不计机械损耗的情况下电机理想效率可达92%。研制了试验样机并进行试验验证,有限元分析和试验结果表明:三定子结构电机磁通密度高,输出转矩大,转矩峰值较单定子电机提升了42%;输出转矩波动小,较单定子电机波动降低了30%。在额定转矩为7.5 N·m的情况下,电机转速从启动到500 r/min的响应时间仅为0.8 s;从500~1000 r/min的响应时间仅为1.5 s;从1000~1500 r/min的响应时间仅为2.1 s。