一种减小刹车时间的无刷直流电机的制作方法

本发明涉及一种无刷直流电机，尤其是涉及一种减小刹车时间的无刷直流电机。

背景技术：

电机的制动包括机械制动与电气制动，电气制动中的能耗制动操作简便，且高速时电机制动转矩大，停车时间短，因而无刷直流电机能耗制动被广泛的应用于洗衣机、风机、纺织机等行业。在纺织机械中，络筒机正常运行时带动筒纱旋转，在遇到断线时，络筒机需要立即停止，待断线捻接好之后，再次启动电机到正常状态。为了提高生产效率，客户对自动络筒电机的刹车制动时间要求高。

近年来表面粘贴烧结稀土磁钢的无刷电机在自动络筒机中得到广泛应用，电机转子磁钢采用表面粘贴方式，缺点是磁钢用量大价格贵，转子制造工艺复杂，并且高速时磁钢有甩脱风险，可靠性不高，限制了电机的转速。为了减小磁钢甩脱的风险，一种做法是在磁钢表面套钢套，但是钢套产生涡流损耗使得电机效率降低，同时电机成本增加，工艺复杂。另一种做法是电机采用嵌入磁钢的转子形式，采用磁钢嵌入转子铁心内部方式，与表贴磁钢方式相比，工艺简单、成本降低且电机可靠性高；但是在实际运行时发现该电机的停止时间明显长于目前的表贴磁钢无刷电机，这会增加络筒机断线处理时间，降低生产效率，是客户不愿接受的。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减小刹车时间的无刷直流电机，使磁钢嵌入转子结构的电机的停止时间大大改善，对大惯量负载提供停止时间短且可靠性高的电动机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种减小刹车时间的无刷直流电机，包括定子和转子，所述的转子包括转子铁 芯、磁钢和转轴，所述的转子铁芯上设置用于磁钢插入的方孔，所述的转轴设于转子铁芯内部，其特征在于，所述的定子上设有数个定子槽，所述的定子槽的槽口宽度b₀与定子直径D_in满足以下公式：β＝(b₀·Z)/πD_in，其中β为槽口系数，且大于0.3；Z为定子槽数。

所述的β大于0.3，小于0.5。

所述的β优选为0.347。

所述的定子槽优选为4个或6个。

所述的定子槽为6个时，所述的定子槽的槽口宽度为定子直径的0.18。

所述的定子槽为4个时，所述的定子槽的槽口宽度为定子直径的0.27。

所述的磁钢的厚度增加10％至30％。

优选地，所述的磁钢的厚度增加20％。

直接将霍尔元件放置在定子槽的槽口上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)减小了电机制动时间，提高了络筒机的断线生产效率；

2)直接优化了部件，因此在不增加电机成本基础上大大减少了电机制动时间；

3)霍尔元器件可直接放置于槽口位置，简化了电机的加工工艺。

附图说明

图1为无刷直流电机结构示意图。

图2为定子结构示意图；

图3为三相短路等效电路；

图4为槽口系数与出力及电感的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种减小刹车时间的无刷直流电机，包括定子1和转子，所述转子包括转子铁芯2、磁钢3和转轴4。转子铁芯2上均匀设置偶数个方孔，磁钢3插入于转子铁芯2上的方孔中，转轴4设于转子铁芯2内部。所述的定子上设有偶数个定子槽，该定子槽的槽口系数大于0.3，本发明实施例中的槽口系数为0.347， 见图2所示。

定子槽口系数定义为定子槽口宽b₀与定子槽距的比值。

β＝(b₀·Z)/πD_in (1)

其中Z——定子槽数，本实施例中槽数为6；

D_in——定子内径。

自动络筒机刹车制动原理：

自动络筒机一般采用电机三相线短路的方式让电机刹车制动，电机三相短路的等效电路图见图3所示。转子由于惯性作用还会一直转下去，定子绕组在转子磁场的切割下会产生滞后于转子磁场的电流，转速较高时，定子电抗远远大于定子电阻，电流滞后转子磁场90度电气角；转速下降，定子电抗下降，电流滞后转子磁场小于90度电气角。电流在定子绕组中一边震荡，一边以电阻发热的形式衰减，直到将转子的转动动能转化为电阻上的热能消耗掉。

电路中的电流i(t)可以用公式(1)表示：

i(t)＝(ke·w)/(R+jpwL) (1)

式(1)中:

ke——电机反电势系数；

w——转子旋转的机械转速，单位rad/s；

R——电机相电阻；

p——电机磁极对数；

L——电机相电感。

当电机的转动能完全转化为电阻热能时，电机就会停止转动，所以电机的制动时间T_s可以用公式(2)表示：

${\∫}_0^{T_s}i{\left(t\right)}^2\·R\·d\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{Jw}}^2---\left(2\right)$

式(2)中：

J——转子惯量；

根据公式可知，可以通过2个方法减小短路制动时间T_s。

方法1，可以增加电阻，使得消耗在电阻上的功率增加，减小时间；

方法2，可以减小电感，使得短路电流增加，从而使得消耗在电阻上的功率增加，减小制动时间。

如果采用方法1增加电阻，会降低电机效率，电机性能下降；为了不影响电机的性能，我们采用减小电感的方法来降低电机制动时间。

减小电感的现有做法是增加磁钢厚度降低绕组匝数，减小电枢感应的磁链，从而减小了电机电感。本专利的电机转子的空间受限，磁钢的厚度增加受到限制，因而本专利提出增加定子槽口系数的方法来减小电感。

改变槽口宽度计算定子产生的电感及电磁转矩，并以原电机电感及电磁转矩为基值，来计算电感及电磁转矩的标幺值，得到图4所示曲线。由曲线可知：增加槽口系数，电机的电感随之减小，电机电感与槽口系数成反比例关系；与此同时，增加槽口系数对电机的电磁转矩影响较小，槽口系数大于0.33时，电机的出力开始减小，此时电感已下降13％。由此可以看出，采用增加槽口宽度的方式可以显著减小电机电感，同时不影响电机的出力。

我们选择槽口系数0.34，此时电感下降了15％，同时电机出力仅下降0.2％。本发明实施例将磁钢厚度增加0.8mm，电感可以减小16％，同时将定子槽口距离增加，由2mm增加至6.4mm后，电感可以减小28％。

采用本发明的电机结构制作电机，电机的刹车制动时间明显缩短，空载运行5400rpm时进行短路测试，利用示波器及电流钳观察短路电流波形，原电机的制动时间为3.39s，本发明电机制动时间为2.25s，时间缩短了33.6％。满足客户要求的2.5s(空载运行5400rpm的制动时间)。

本发明不仅可以减少刹车制动时间，还可以简化电机三相霍尔的安装工艺，降低电机成本。目前络筒机电机的霍尔安放在定子槽口处，由于电机的定子槽口宽度较小，当电机绕组通入电流后，电枢磁场对霍尔信号存在着干扰作用，所以对安放霍尔的槽口部分需要做切割处理，以此增加霍尔元件附近的定子槽口宽度。工艺较复杂。

采用本发明增加电机定子槽口宽度后，霍尔安放在该槽口中，可以减小绕组电流对霍尔信号的影响，使得霍尔信号更加准确。计算绕组通入3倍正弦电流霍尔信号的误差角度，发现槽口增加后，霍尔信号的误差角度由7.9度减小至2.7度，可以减小绕组电流对霍尔信号的影响。霍尔元器件可以直接安放在槽口位置，不需要对槽口进行切割处理，可以降低电机成本，简化加工工艺。