低扭矩电动设计与制造分析

 低扭矩电动设计与制造分析

杨延潮、王辉、杨烽

浙江中信阀门有限公司   浙江省温州市   325000

摘要：在现代工业和科技的发展中，低扭矩电动系统在许多领域得到了广泛的应用，如精密仪器、医疗器械、小型机器人等。这些应用对电动系统的扭矩输出精度、响应速度、体积和重量等方面提出了较高的要求。基于此，本文重点探究低扭矩电动设计与制造方案，旨在保障低扭矩电动产品质量。

关键词：低扭矩；电动；电子控制系统；绕组；永磁

引言

在现代工业和日常生活中，电动设备的应用越来越广泛。低扭矩电动系统在一些特定的场景中，如小型精密仪器、医疗器械、智能家居设备等，发挥着重要的作用。与高扭矩电动系统相比，低扭矩电动系统在设计和制造方面有着独特的要求和挑战。因此，深入研究低扭矩电动的设计与制造具有重要的理论和实际意义。

1. 原理与类型

电机是指可以将电能转化为机械能的一种装置，工作原理是基于电磁感应定律、安培力定律，在电机绕组有电流通过时，就会在电机内部产生磁场，磁场与永磁体或另一组产生的磁场相互作用，从而形成转矩，带动电机转子旋转[1]。具体可分为以下几个类型：

（1）直流无刷电机（BLDC）。该电机具有功率密度高、效率高、噪声小等特点，在低扭矩领域中应用较为广泛。电流流向通过电子换向器控制，从而带动电机旋转。

（2）永磁同步电机（PMSM）。该电机具有高效率、高转矩密度，可在小体积、低重量下实现较大扭矩输出，在空间、重量要求较高的低扭矩应用场景较为适用。

（3）步进电机。步进电机通过脉冲信号控制电机的步数和旋转角度，具有定位精度高、控制简单等特点，常用于对精度要求较高的低扭矩设备中。

2. 低扭矩电动的设计

2.1设计参数

2.1.1电机尺寸与形状

电机尺寸和形状会直接对电机的输出功率、扭矩造成影响。扭矩柜电机通常采用小外径和长度，用于降低电机的重量与体积。同时，优化电机的极对数、绕组分布，让电机转矩密度进一步得到提升。

2.1.2绕组设计

绕组的性能参数对电机性能有着直接影响，包括匝数、绕制方式、线径等。具体设计当中，必须要根据功能需求选择合适的绕组参数，确保电机在低电流下产生足够的转矩，并且降低电机运行中的电阻损耗与发热量。

2.1.3磁路设计

磁路设计主要包括永磁体选择、磁极形状、磁轭的设计等。保障磁路设计的科学性有助于提升磁场利用率，让电机转矩输出能力得到提升。低扭矩电机中，可选用高性能永磁材料，如钕铁硼等材料可有效提升磁能积和矫顽力。

2.1.4电子控制系统设计

想要保障电机正常运行，必须要做好电子控制系统设计工作，主要包括驱动电路、控制算法、传感器等。低扭矩电机设计必须要保证电流控制的精准度、控制算法运行的效率，确保电机平稳运行、高精度控制[2]。

2.2材料选择

2.2.1永磁材料

电机转矩、效率会直接受到永磁材料性能影响。低扭矩电机当中常用的永磁材料包括钕铁硼、钐钴等。钕铁硼具备较高的磁能积和矫顽力，但温度稳定性不高。钐钴的温度稳定性较好，但成本相对更高一些。在具体应用中，应结合电机的具体工作环境、性能要求，科学选择永磁材料。

2.2.2绕组材料

绕组主要采用铜导线、铝导线。其中，铜导线的导电性、导热性较好，但成本更高。铝导线成本较低，但相比铜导线的导电性、导热性低一些。在低扭矩电机选择中，为了提高电机效率、降低损耗量，优先选择铜导线。

2.2.3铁芯材料间

电机性能、损耗会直接受到铁芯材料影响。常见的铁芯材料包括硅钢片、非晶合金等。其中，硅钢片的导磁性好、损耗低，但在高频工况下会导致性能下降；非晶合金具有更高的饱和磁感应强度、更低损耗，但加工难度较高。在低扭矩电机设计中，需要结合电机工作频率、性能要求合理选择铁芯材料。

2.3优化设计

2.3.1多目标优化

低扭矩电机设计中，通常要考虑多个目标，如输出扭矩、体积、效率、成本等，对此可采用多目标优化方案，在多个设计目标中找到最佳平衡点，从而优化电机的综合性能。

2.3.2有限元分析

有限元分析作为一种现代化点击设计工具，可对电机温度场、电磁场、应力场等展开仿真模拟分析。借助有限元分析方法，根据电机结构参数的仿真模拟并进行优化，从而让电机的性能、可靠性得到提升。

2.3.3拓扑优化

拓扑优化是一种基于材料分布的优化方式，也就是在给定的设计空间内找到最优的材料分布形式，从而实现电机结构的轻量化和高性能化。在低扭矩电动设计中，应用拓扑优化可以有效地提高电机的转矩密度和效率。

3. 低扭矩电动的制造工艺

3.1绕组制造工艺

绕组制造工艺包括绕线、嵌线、绝缘处理等方面。低扭矩电机的绕组匝数较多，且线路直径较小，增大了绕线、嵌线的难度。在生产中，主要使用自动化绕线设备、精细的嵌线工艺，保障绕组质量达标、规格一致性。此外，还需要做好绝缘处理工作，以免出现绕组短路、漏电等问题。

3.2永磁体安装工艺

永磁体安装可分为表贴式、内置式2种方法。表贴式永磁体安装难度更低，但更容易受到外界磁场干扰；内置式永磁体的电磁屏蔽效果更好，但安装难度更高。低扭矩电机制造需要结合电机结构、性能要求，合理选择永磁体安装方法，采取高精度安装技术，做好质量检查，确保永磁体安装位置、极性精准无误

[3]。

3.3铁芯制造工艺

铁芯制造工艺包括冲压、叠压、热处理等。在具体制造当中，为了避免铁芯损耗增加、保障电机运行效率，可选用高精度冲压磨具、先进的叠压工艺，确保铁芯制造尺寸精度达标、叠片系数符合标准。此外，还要采取有效的热处理工艺，从而消除铁芯内应力，改善导磁性。

3.4电机装配工艺

电机装配主要有转子、定子装配以及总装。装配设计中，需要确保各个部件精准安装、紧密配合，避免出现摩擦、松动等情况。同时还要做好严格的质量检测与调试工作，保障电机性能、可靠性达标。

4. 低扭矩电动制造中的挑战与对策

4.1制造精度要求高

低扭矩电机尺寸小、结构复杂，因此对制造精度有更高的要求。为了保障制造精度达标，应投入先进的加工工艺和设备，如高精度数控机床、激光切割、微细加工等。还要做好制造加工过程的质量控制，建立健全质量检验标准、完善检验手段[4]。

4.2难以保障材料性能一致性

电机制造期间，材料性能一致性会直接影响电机的性能、可靠性。低扭矩电机对材料性能有着较高要求，即便材料性能之间存在微小差异，也可能对电机运行性能造成较大波动。针对此类问题，必须要做好原材料质量管控，选择信誉好、实力强的材料供应商，同时还要配备严格的材料质检制度。

4.3较高的生产成本

低扭矩电机制造工艺复杂，必须要投入高精度设备和先进工艺，提升了生产成本。为了控制生产成本，可通过优化设计、完善工艺线、规模化生产等方式降低成本。同时，还要加强和供应商之间的合作，建立长期合作关系，从而降低原材料采购成本。

结束语

综上所述，低扭矩电动设计与制造是一个综合性的工程问题，需要综合考虑电机的原理、设计参数、材料选用、制造工艺等多个方面。通过优化设计和制造过程，可以提高低扭矩电机的性能和可靠性，满足不同应用场景的需求。随着技术的不断进步和市场需求的不断增长，低扭矩电动技术将在未来的工业和生活中发挥更加重要的作用。

参考文献

[1] 李高权.低扭矩电动球阀设计与制造[J].阀门, 2022(04):114-116.

[2] 陈石人,王星,马艳飞,等.电动汽车空档扭矩控制对道路阻力曲线和能耗的影响研究[J].中国汽车, 2020(11):422-425.

[3] 徐永明,金磊,艾萌萌,等.低速大扭矩永磁同步电动机的转矩提升[J].电机与控制学报, 2022, 26(12):116-127.

[4] 刘洋,王永恒.高压变频永磁同步直驱电动机关键技术研究[J].防爆电机, 2022(04):57-60.