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空心杯电机绕组应用研究

摘要：本文介绍了空心杯电机结构设计的方法，分析了影响空心绕线杯绕组

参数设计因素，提高了绕组利用率及可靠性。

关键词:空心杯;无刷电机;绕组设计

0引言

空心杯电机属于永磁、直流、伺服微型特种电机，有许多优良特性，例如稳

定的运行特性、突出的节能特性和灵敏方便的控制特性。与传统电机的转子结构

不同的是，空心杯电机采用的是无铁芯转也叫空心杯形转子。避免了由铁芯转子

结构的内部涡流而产生的电能损耗。而且，空心杯电机的转动惯量和重量都明显

低于普通电机，因此在电机运行过程中转自身的机械能损耗也会有所降低。转动

惯量、重量、密度相对减少使得空心杯电机具有良好的控制特性，起动、制动迅

速，响应极快，空心杯电机还具有良好的拖动特性、抗电磁Ｔ扰能力强、重量轻、

体积小等优点。目前，国内对空心杯无刷电机的研制还处于发展阶段，研究方向

以同心式绕组形式为主流方向，主要还停留在绕组结构形式、性能分析、工艺流

程探索阶段，与国外成熟产品还存在一定差距。本文分析了空心杯无刷电机绕组

不同结构形式绕制方法，给出影响绕线杯设计的关键参数。

1产品结构

空心杯电机体积小、质量轻，主要由定子组件、空心杯组件、传感器组件、

转子、端盖、轴承等组成。为减小齿槽转矩，降低起动转矩，定子铁心采用无齿

槽结构，三相定子绕组采用绕线杯结构。位置传感器采用开关型霍尔元件，传感

器磁钢与主磁钢转子同轴连接，霍尔位置的精确定位通过绕线杯位置及传感器调

节进行固定。绕线杯结构是实现空心杯无刷电机降低齿槽转矩的关键部件，其绕

线杯独立线圈周向对称安装分布均匀性、绕线杯绕组固定方式、引出线的焊接等

均是产品实现的关键。因此，绕线杯绕组在结构上主要由三相对称分布的绕组、

绕组固定支架、引出线焊接板组成。

2线圈绕组设计

空心杯电机线圈绕线机是一台可以完成空心杯电机线圈的绕制，并且实现精

密排线的高度自动化设备。空心杯电机线圈绕法有直绕式、斜绕式、3)菱形绕组

式三种形式。

2.1直绕式

直绕式是指元件有效导体部分与电枢轴线平行的绕组，属于集中绕组。绕制

时先按匝数要求在绕线模上绕制成普通环形的漆包线元件，在排线芯轴上按绕组

展开图连成绕组，两端部涂以适当的粘接剂并固化成型。这种绕制方法槽满率较

高，绕线杯中部壁薄，但由于绕制线圈时漆包线排布不整齐有堆叠，故整个电枢

杯线圈排布较乱，且排线时端部须留有走线余量，从而导致端部尺寸较高。

图1直绕式平面连接图

2)斜绕式

斜绕式也称蜂房式绕组，采用蜂房式绕法制成，中间留抽头，为了能连续绕

制，必须使元件有效边和电枢轴线成一定倾斜角度。绕线时需制作专用的绕线芯

轴，芯轴上插有两排销钉。芯轴的外圆即为电枢杯的内径，销钉的位置按照绕线

展开图排布，销钉的行距即为电枢杯的长度。绕线时将芯轴装入人工绕线机上，

操作者转动绕线机的手柄，则芯轴跟随绕线机做回转运动，漆包线即缠绕在芯轴

上。这种绕制方法端部尺寸较小，但由于斜绕式连续绕制需要一定的排线角，使

得漆包线交叠，槽满率较低。

3)菱形绕组式

菱形绕组式采用先绕制成形线圈再排线的方法，即采用自粘性漆包线在专用

成形绕线模上绕制，经过多次整形排布制成电枢杯。绕制时两层线圈排布整齐并

定型，便于控制整形后电枢杯的尺寸，提高槽满率;同时这种方法生产效率高，

适合批量生产。

图2菱形绕组式示意图

3菱形绕线杯参数设计

电机极槽(虚拟槽)配合在无刷电机设计中是非常重要的一个环节，合适的极

槽配合可以使得电机各项性能更能满足指标要求。对于空心杯电机，一个合适的

极槽配合影响更大，不但影响电机电磁设计参数，更会影响绕组杯子的绕制工艺，

进而影响电机的性能参数、加工成本和效率等。由于空心杯无刷电机体积小、转

速较高、静摩擦力矩更小，因此，电机极数不宜过多，一般选用2极或4极。

菱形空心杯电机是由数个菱形线圈按照一定的规则排列而成。由于菱形线圈

存在一个斜度，所以其绕组系数要较相同极槽配合的直槽电机小。同时，其绕组

系数又与铁心式电机不同，空心杯绕组的绕组系数还与磁钢的长度有关。随着磁

钢长度的增加，绕组系数呈现先增后降的趋势，在某一个特殊位置出现绕组系数

的最大值，当超过这个长度后，绕组系数会下滑，也就是说，当磁钢长度超过某

个长度后，相同绕组的情况下，随着磁钢长度的增加(不超过绕组长度)，磁钢的

利用率开始降低;同时电机的磁链增加也不会很明显，甚至开始下降。