中图分类号:T M 36+1 文献标志码:A 文章编号:1001-6848(2009)11-0052-08
永磁无刷直流电机电枢反应综述与分析
谭建成
(中国电器科学研究院,广州 510300)
摘 要:就电枢反应对永磁无刷直流电动机性能的影响进行归纳和分析,指出一些值得商榷的地方,如采用基于电枢反应磁势分布图方法分析电枢反应对气隙磁场的影响,与将基于电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的传统分析方法相比,可得到更直观的理解和更准确的认识。电枢反应影响程度大小的关键是转子磁路结构。最后讨论了分数槽集中绕组无刷电机电枢反应的特殊问题。
关键词:无刷直流电动机;电枢反应;去磁效应;磁势谐波;转子涡流损耗
S u mm a r y a n dA n a l y s i s o n t h e A r m a t u r e R e a c t i o n o f
P e r m a n e n t Ma g n e t B r u s h l e s s D Cm o t o r
T A NJ i a n -c h e n g
(C h i n a E l e c t r i c a l A p p a r a t u s R e s e a r c h I n s t i t u t e ,G u a n g z h o u 510300,C h i n a )
A b s t r a c t :S u m m a r i z e d a n d a n a l y s e d o n t h e a r m a t u r e r e a c t i o n o f t h e p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s D C m o -t o r ,a n d d i s c u s e d s o m e q u e s t i o n s a b o u t a r m a t u r e r e a c f i o n o f P e r m a r e n t m a g n e t b r u s h l e s s D Cm o t o r .K e y Wo r d s :
B r u s h l e s s D Cm o t o r ;A r m a t u r e r e a c t i o n ;M M Fh a r m o n i c ;D e m a g n e t i z i n g e f f e c t ;E d d y -c u r r e n t l o s s
收稿日期:2009-09-290 引 言
永磁电机气隙磁场是由永磁磁势和电枢绕组磁势共同作用产生的。电机负载运行时电枢电流产生的磁势对气隙磁场的影响称为电枢反应。对有刷直流电机,其电枢反应磁场与主磁极磁场是正交的。电枢磁场使主磁极磁场发生歪扭。电动机状态时的电机极前端磁场加强,极后端磁场消弱,并且消弱和加强的磁动势基本相等。由于磁路饱和的影响,结果使主磁极总磁通有所消弱,并且负载越大,磁路越饱和,去磁作用越明显。电枢反应不仅对主磁极磁场有去磁作用,还引起主磁极磁通歪扭,使磁极物理中性面处磁场不再为零,给换向带来不利因素。而对永磁无刷直流电动机,毕竟其运行机理和结构不同,其电枢反应除与磁路结构及饱和程度有关外,还与电枢绕组形式、导通方式和状态角的大小等因素有关。而且,如下面分析可以看到,在一个状态角不同时刻电枢反应磁场和永磁磁场空间相对关系不是固定的,也和有刷直流电动机情况不同,所以无
刷直流电动机的电枢反应同有刷直流电动机的有区别。无刷直流电动机磁路设计时,如果还按有刷直流电动机那样考虑电枢反应来确定永磁体负载工作点,将会引起较大误差。有相当数量的文献就永磁无刷直流电动机的电枢反应对气隙磁通、感应电势、电磁转矩波动和正常换相的影响进行了研究。本文对此进行归纳和分析,并指出一些值得商榷的地方。
1 电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的分析方法
不少文献采用将电枢反应磁势分解为直轴分量和交轴分量的传统方法分析无刷直流电动机电枢反应的影响。为分析方便,先观察采用星形接法、整数槽绕组、三相六状态换相方式的两极内转子结构电机,如图1所示。这种接法的特点是每一工作周期有6个状态,每个状态占60°电角度。当电机转子逆时针方向旋转时,图1分别为一个状态的初始点、中间点和最终点时刻永磁转子的位置和电枢反应磁势的分解图。图中,F r 表示永磁磁势;每一状态有两相绕组串联导通(这里是A 相和B 相导通),电流I 产生的电枢反应磁势以F a 表
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示。将其分解为F a d和F a q,分别为相对于永磁磁势F r的直轴和交轴分量。
当电枢反应磁势波形为矩形波或阶梯波时,一个极下的电枢反应磁势幅值可表示为:
F a=2W I/2p=W I/p;如果只考虑基波,则有: F a=0.866W I/p。
式中,W为每相定子绕组串联匝数;I为绕组电流;p为电机极对数。
可以发现,一个状态角内,在前半个状态,直轴电枢反应磁势F a d对永磁磁势作用是去磁的,而在后半个状态,直轴电枢反应磁势F a d对永磁磁势作用是增磁的。显然,在初始点和最终点时刻,直轴电枢反应磁势到达最大值,即:
F a d m a x=F a c o s60°=0.5F a(1)
交轴电枢磁势F a q对主磁场的作用是使气隙磁场波形发生畸变。
图1 一个状态下三个时刻永磁转子的位置
和电枢反应磁势分解图
2 基于直轴和交轴分量分析方法传统观点认为,电枢反应引起平均气隙磁密下降的主要原因是一个状态角范围内、因磁路局部饱和、直轴电枢反应磁势作用使后半个状态增磁未能抵偿前半个状态去磁的缘故。就平均效应来看,即使磁路有饱和,电枢反应对电机气隙磁场只有微弱的去磁作用,影响不大;电磁设计时负载工作点磁通可用空载工作点磁通代替。
文献[2]认为,电枢反应对电机的影响可归纳为:电枢反应对转子磁场先去磁而后增磁,使电机的每极总磁通在空载时的每极总磁通附近变化。电枢反应使反电势和电磁转矩发生变化,但对反电势及电磁转矩平均值影响不大,从而得到电磁设计时把空载工作点的磁通近似看作负载工作点的磁通的结论。
文献[3]指出,永磁无刷直流电动机电枢磁势在电枢圆周内是步进跳跃式旋转的。在一个状态角范围内,电枢磁势在刚开始为最大去磁,然后逐渐减小,在状态角中间位置时不去磁也不增磁,后半个状态角逐渐增磁并达到最大值。可见电枢反应的直轴分量时而增磁,时而去磁,使气隙每极的合成磁通发生变化,但对总的平均磁通改变不明显;通过静态磁场的计算,证明了电枢反应对气隙磁密和电磁转矩的影响较小,在工程计算允许误差范围以内,可忽略不计。交轴电枢磁势对主磁场的作用使气隙磁场波形畸变。对于径向激磁方式,由于稀土永磁体本身的磁阻很大,故交轴电枢磁势引起气隙磁场畸变较小,通常可不考虑,即使交轴电枢反应存在,只要磁路不饱和,交轴电枢反应使磁场波形的畸变不影响总磁通的平均值。
文献[6]用磁势矢量合成法和磁势积分法对电动自行车用三相六状态、2极、6槽外转子无刷直流电动机的气隙磁场及电枢反应进行了定性分析,还用电磁场有限元分析方法对其进行定量分析,在计算中计及了电机电枢的齿槽影响。表l为一个状态角范围内三个典型位置下的气隙空载磁密和负载磁密计算结果,比较了空载磁密和负载磁密的差值。
由表1看出,该无刷直流电动机因每极每相槽数较少(q=1),使得电机齿槽对气隙磁密有较大的影响。样机的计算结果表明,即便是在空载,三个位置气隙平均磁密的最大值与最小值也相差5%,b位置的磁密有所降低。负载气隙磁密与空载气隙磁密相比,a位置的去磁作用要强于c位置的助磁作用。这是由于电机的饱和所引起。总平均来说,负载气隙磁密与空载气隙磁密相比只降低2.6%。可见,在电机的一个状态角范围内,电枢反应由去磁变为助磁;就平均效应来看,电枢反应对气隙磁场只有微弱的去磁作用。这一作用在工程上可以忽略不计。
表1 三个典型位置的空载磁密及负载磁密平均值
单位:T
位置a位置b位置c三个位置平均空载磁密0.7030.6550.7030.687
负载磁密0.6460.6300.7310.669
差值0.0570.025-0.0280.018
3 对于大功率电机,特别是采用嵌入式转子结构时,电枢反应的影响使气隙磁场、反电势和电磁转矩波形畸变,电机性能恶化,转矩波动加剧。
文献[7]认为,在小功率永磁电机的设计中,由于电枢电流和电枢反应磁势较小,且转子直径
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小,离心力不大,永磁磁钢常采用表面安装形式,对交直轴电枢反应磁势的磁阻均较大,电枢反应磁势的影响不明显;然而当电机功率较大时,一方面由于定子电流的增大使电枢反应磁势增强,另一方面,转子直径大,离心力增大,磁钢安装形式不宜再采用表面安装,而多采用嵌入式安装。电枢反应磁势的磁路发生了变化,电枢反应必须加以考虑。如电动汽车驱动用永磁无刷电机,功率一般达到几十千瓦以上,且为了尽量提高功率密度,额定转速要达到3O00r/m i n或更高才能满足系统要求,因此气隙磁场一般设计得较弱,而在起动、爬坡时为了获得低速大扭矩,主要靠加大定子电流来实现,这样电枢反应磁势的影响就变得非常明显。
与表面安装式磁钢转子的情况不同,嵌入式转子永磁无刷电机交轴电枢反应磁势的磁路不必通过永磁片,而直接经过由软磁材料形成的低磁阻磁路,因此其影响就很明显。在一个状态中,直轴电枢反应磁势经历了由最大去磁到最大增磁的过程,气隙磁场平均值变化不大,但交轴电枢反应使气隙磁场波形产生明显的畸变。例如,文献[1]对一台50k W、多相4极内嵌式切向磁化转子的无刷电机试验分析,实测负载时气隙磁密分布呈前高后低,气隙磁场最大畸变达19%,而在一个状态内、一个极下磁通量的相对变化率只有3.09%。可见,电枢反应使得极下磁通量减少不大,但气隙磁场波的畸变会使转矩波动加剧,尤其是在低速大扭矩的时侯。
4 基于电枢反应磁势分布图的电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法
在一个状态角内任意时刻,由于电枢反应,转子磁极都存在前部增磁和后部去磁,合成气隙磁密分布呈现前高后低的不对称波形,其过零点有所前移。上述电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的传统分析方法是一种基于矢量图的理论,其前提是这些磁势和磁场量均为正弦量。显然这和无刷电机的实际情况有区别。为此,笔者提议基于电枢反应磁势分布图(如图2所示)采用电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法,使电枢反应对气隙磁场的影响得以直观地理解,并得到有别于直轴和交轴分量传统分析方法的认识和结果。
图2实际上是图1的展开。图中第一行表示在A相和B相两相通电时绕组通电相带分布,第二行表示电枢反应磁势F a和相应的电枢反应磁密B a 分布波形,以下的(a)、(b)、(c)三行和图1一样,分别表示在该状态角内的初始点、中间点和最终点时刻永磁转子的位置和电枢反应引起的气隙磁密分布情况。为了简单起见,假设永磁体产生的磁场B r为梯形波(图中以虚线表示),图中的细实线表示电枢反应磁场B a分布波形。在均匀气隙以及磁路不饱和的假定情况下,可利用叠加原理求出电机合成气隙磁场波形(图中以粗实线表示合成气隙磁场B s波形)。它显示出在一个状态下磁极三个有不同位置时电动机气隙磁密的分布变化情况。由图可以看出,在一个状态角内的不同时刻,合成气隙磁密分布是不同的,这与有刷直流电机有很大不同。由于电枢反应,任一时刻转子磁极都存在前部增磁和后部去磁、气隙磁密分布呈现前高后低的不对称波形,并且磁密过零点产生了前移。
文献[6]用电磁场有限元分析方法就三相六状态、2极、6槽外转子无刷直流电动机的电枢反应对气隙磁场影响进行了分析。该文图4给出一个状态角范围内三个典型位置下的气隙空载磁密和负载磁密分布。该图中显示出负载气隙磁密分布都呈现前高后低的不对称波形。这个结果说明上述分析是符合实际的
。
图2 一个状态角内三个时刻的电枢反应
对气隙磁场影响示意图
在图2的一个极下,两相通电且当每极每相槽数q比较大时,可抽象看成定子内圆它的两个相带(120°)范围内均布有通电导线,其密度等于线负荷A。以D表示定子内径,W表示每相定子绕组串联匝数,I为绕组电流.则线负荷A可以表示为:
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A =4W I πD ×32=
6W I πD
在一个状态角内任意时刻,电磁转矩T e 由这些通电导线与其所处的气隙磁密作用产生,可以表示为:
T e =∫A B s d θ=A ∫B s d θ+I ∫
B a d
θ式中,B r 、B a 、B s 分别表示永磁磁密、电枢反应磁密、合成气隙磁密沿着角度θ的分布函数。积分是在图中120°范围进行的。
从上式可见,电磁转矩T e 可看成是两个积分的叠加。但是,在一个状态角内的任意时刻,如图2所示,在120°积分范围内,电枢反应磁密B a 的分布是完全相同的,而且是正负对称的,结果使上式的第二个积分结果等于零。这样,电磁转矩T e 只和永磁磁密B r 有关。也就是说,只要电机转子结构各向同性,定子磁路不饱和,满足叠加原理的线性条件,在一个状态角范围内任意时刻,有效气隙磁密平均值相对于空载来说没有增加也没有减少,电枢反应对永磁转子的平均效应既没有去磁,也没有增磁,对电磁转矩的影响可以忽略,电磁转矩只和永磁磁场B r 有关。实际上,这是容易理解的。如果想像一台表面粘贴磁片的转子,将磁片去掉只剩下一个圆形铁心,电枢绕组流过两相电流并不会产生电磁转矩。顺便指出,在一个状态角内不同时刻,在120°积分范围内永磁磁场B r 分布是不同的,电磁转矩T e 也就不一样,随转角位置而变化。
这里如果观察一个极下的总磁通(即磁密在180°范围内的积分)变化,发现在初始点、中间点和最终点时刻三个有不同位置时,合成气隙磁场的总磁通相对于永磁磁场总磁通分别是减小(去磁)、不变和增加(助磁)。故此,如本文第2节所述,传统观点认为在电机的一个状态角范围内,电枢反应由去磁变为助磁,并认为电枢反应引起平均气隙磁密下降的主要原因是一个状态角范围内因磁路局部饱和,直轴电枢反应磁势作用使后半个状态增磁,未能够抵偿前半个状态去磁的缘故。但是,这个看法是不够准确的。问题的关键在于:无论是电磁转矩还是感应电势,都只是与绕组的每个导体所处的磁密之和有关,它们是由在120°积分范围内气隙磁场分布决定的,而不是由180°积分范围内气隙磁场分布(即一个极下的总磁通)决定的,也就是说,120°积分范围外的气隙磁场如何对电磁转矩或感应电势的产生是没有作
用的。而如图3所示,去磁或助磁比较厉害的地方却发生在120°积分范围外。
因此我们认为,电枢反应引起平均气隙磁密下降的主要原因应当是因磁路局部饱和、在一个状态角范围内任意时刻,都存在转子磁极一部分的增磁未能够抵偿另一部分的去磁造成的;但在120°积分范围内的去磁或助磁都比较小,只要不是严重过载,磁路局部饱和引起的平均气隙磁密的下降比较弱,在工程上可以忽略不计。
如果转子磁路结构是各向异性,情况就不同了。例如,选用嵌入式或半埋入式结构,由于直轴和交轴磁阻的差异,通常是交轴磁阻小于直轴磁阻,电枢反应产生附加的磁阻(反应)转矩,出现电枢反应引起的转矩波动,同时也对电机其他性能产生不良影响。电机设计时宜采用增大转子交轴磁路磁阻、减少直轴和交轴磁阻的差异,例如设置隔磁槽、优化磁路结构等措施来降低交轴电枢反应的不良影响。应该指出,这是按无刷直流电机方波电流方式运行的情况,如果按永磁交流同步电机正弦波电流方式运行,采用矢量控制时,可利用此磁阻转矩提高电机的转矩密度,并可改变电机的机械特性。
5 电枢反应磁势对最佳换相位置的影响和超前换相方法
如前所述,电枢反应的影响使合成气隙磁场超前于永磁磁场一个角度,超前角的大小随负载电流的增大而增大。电枢反应磁势使最佳换相点前移。由图2看出,气隙磁密分布过零点产生了前移,这样,按空载时对称磁场决定的换相位置已不适合负载运行;如果检测到的电动势相对于空载电动势的相移过大而控制电路又没有采取移相措施,将影响电机的出力及控制性能。
文献[8]用磁路分析方法分析了一台转子为表面磁钢结构的无刷直流电机电枢反应对换向电动势相位的影响,并经实验进行了验证。电机转速为3000r /m i n 和6000r /r a i n 时对应的电枢反应引起的检测电动势相移分别为11.61°和11.05°。
在大多数无刷电机中,为了检测转子磁极相对于定子绕组的位置,在电机非负载轴端安装一个小定子与一个小永磁转子,作为转子位置传感器。小定子固定在电机端盖上,在小定子内圆上互隔120°电角度安装3个霍尔元件;而小转子同心安装在电机转轴上,同主转子一起旋转,小转
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子表面圆周上装有同电机主转子相同极数的永磁体,并在安装时它的磁轴线与电机主转子的磁轴线对齐,这样小转子的磁极位置就直接反映了电机转子的磁极位置,并在霍尔元件上感应出出相应的状态信号。考虑到电枢反应磁势使最佳换相点前移,严格说,这种传感器已不能满足要求。
在有刷电机中,削弱电枢反应、改善换向条件的主要方法有:设置换向极对电枢反应进行补偿和移动电刷。因永磁电机的结构和驱动方式的限制,在有刷直流伺服电动机中装置换向极已不可能,因此只能采用类似于移动电刷的方法削弱电枢反应。移动电刷的本质在于超前换相,对于无刷电机,也就是要让绕组换相时刻超前,从而达到削弱电枢反应的目的。对无刷电机而言,逆着旋转方向移动“电刷”,即提前换相可以削弱电枢反应不良影响。
文献[7]对两个电机进行试验研究。对一台30k W、额定转速3000r/m i n、埋藏式磁钢的6极电机进行空载和负载电流测试,发现负载电流发生严重的畸变,转速下降,输出功率只有18k W,远达不到设计指标,说明电枢反应影响非常显著;将小定子及霍尔元件逆旋转方向移动约20°电角度后,额定负载时的电流波形畸变消失,实测结果完全达到设计指标,但此时的空载电流波形却非常不理想,且空载电流远远大于按空载整定最佳换相位置时的数值。另一台5.5k W,额定转速1000r/m i n、表面安装的6极电机,同样进行空载和负载电流测试,并没有发现负载电流发生畸变,可以认为电枢反应作用不明显,最佳换相位置没有受到明显影响。这个实验同时也显示出转子磁路结构对电枢反应影响的决定性作用。
文献[9]建立了1台用于航空起动发电系统地面实验30k W、切向磁钢、6极无刷直流电机的有限元仿真模型。实验电机系统工作在120°电角度导通方式时,利用有限元模型研究了电枢反应对气隙磁场和最佳换相位置的影响,研究了实验电机电磁转矩及其波动随电枢电流变化的情况。表明电机通入电枢电流后,最佳换相位置发生变化;当负载电流到500A时最佳换向位置偏移了5.4°电角度。如果还是按空载时设定的换相位置工作,电机的转矩将会降低,转矩波动将会增大。所以不能忽略电枢反应对最佳换相位置的影响,需要对换相位置角进行调整来适应电枢电流的变化,以获得最大输出转矩和较小的转矩波动。
由于这个提前换相的超前角与负载大小有关,为此,有必要随着负载电流变化调整控制器的最佳换相点。例如,采用对气隙磁通而不是按永磁体进行直接或间接的检测来控制最佳换相位置,或用软件的方法进行最佳换相的自适应控制等。
当前,在许多应用领域,无刷电机无位置传感器控制由于结构紧凑的优点得到了越来越多的研究。电动势换相的无刷直流电机利用电动势作为转子位置信号控制驱动电路换相。电机在空载时,定子电流比较小,电动势信号能准确地反映电机的转子位置,但是当电机带载运行时,绕组电流产生电枢反应,这时检测到的电动势不单是因转子永磁体磁场运动产生的,而是由定、转子磁势共同作用的结果,电枢反应必然会对电动势过零点相位产生影响,因此需要适当调整。
6 电枢反应的最大去磁作用
在电机设计时,为了考虑电枢反应的去磁作用,文献[12-13]提出用磁钢工作图方法,将空载特性向左移一个电枢反应最大直轴去磁磁势的距离,得到负载工作点的每极磁通。这样,负载气隙磁通将明显比空载减少。这和无刷电机实际情况有较大的差异。如文献[2]指出,永磁无刷直流电动机的直轴电枢反应磁势在一个状态角范围内不是一个常数,用减去一个最大直轴去磁安匝的方法求负载时的工作点是不合理的。如上述分析,就平均效应来看,电枢反应对电机气隙磁场只有微弱的去磁作用.在工程上可以忽略不计,如果还按有刷直流电动机那样考虑电枢反应来确定永磁体负载工作点,将会引起较大误差。但是,考虑到永磁材料可逆去磁特性存在拐点,设计电机时需校核电枢反应磁势的最大去磁作用。
对于铁氧体磁极,整条退磁曲线线性度较差,在高退磁区域下降更陡,负载电枢反应使后极尖附近单元磁路的去磁作用更甚于前极尖附近单元磁路的助磁作用;当严重过载时,后极尖附近单元可能落入退磁曲线拐点弯曲部分,发生不可逆去磁。对于钕铁硼永磁磁极,室温状态下退磁曲线接近直线,电枢反应时交点都在直线段内,因而,不论是否计及电枢反应,电机转速及其他性能参数均无明显变化,但当负载增加、磁钢温度增高时,退磁曲线在高退磁区域可能出现明显弯曲,后极尖附近单元磁路有可能超出永久性退磁的拐点区域。
为避免发生不可逆去磁,影响电机正常运行,因而需要限制电动机的最大电流,并在设计电机
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时由此计算确定磁钢最低限度的厚度。
从图2可以发现,对于整数槽电机,一个状态角内,在初始点和最终点时刻,电枢反应磁势F a 对永磁磁极后部去磁作用(或对永磁磁极前部增磁作用)达到最大。此去磁磁势应为电枢反应磁势的最大值,即:
F a m a x=W I/p(2)而不是式(1)所示的数值。这样,在设计表面安装方式的永磁片厚度时,需要按上式考虑在初始点时刻永磁磁极后部所承受的电枢反应最大去磁。
对于分数槽集中绕组电机,电枢反应去磁磁势的最大值可按后述的式(3)或式(4)计算。
需要指出,为了保护功率开关管,无刷电机常常设置有限流功能,这样,也同时对电机永磁体进行了不可逆去磁保护。起动电流或突然反转引起的过高电流在控制器设计时应予以限制。有些控制器设计时使突然反转不可能发生;一般按所设置的限流值考虑电枢反应最大去磁即可。
7 分数槽集中绕组无刷电机电枢反应
7.1 分数槽集中绕组电机的电枢反应磁势与整数槽电机不同,包含大量空间谐波,存在明显分次谐波,对永磁体的去磁或助磁情况也不同,但电枢反应对永磁磁场的影响并不明显。
上面讨论的是整数槽电机情况,再来看分数槽电机的情况。先看一个Z/2p=12/10例子。这是分数槽集中绕组,每个齿绕一个线圈。对于双层绕组,绕组排列为:A a b B C c a A B b c C;对于单层绕组,绕组排列为:A-b-C-a-B-c-,其中,大写字母表示正绕,小写字母表示反绕,符号–表示齿上无线圈。图3(a)和(b)分别给出Z/2p=12/10双层绕组和单层绕组在A、B两相导通时的电枢反应磁势分布。如图所示,与整数槽不同,分数槽电机,特别是集中绕组的分数槽电机,很难像图1所示的整数槽电机那样分解出直轴和交轴电枢反应。它们的电枢反应磁场分布见图5。
文献[3]对一台12k W、36槽34极(q=3/ 17)、磁体表面安装式外转子无刷直流电机进行了分析计算。对于双层绕组,绕组排列为: A a A a A a b B b B b B C c C c C c a A a A a A B b B b B b c C c C c C。图3 (c)表示36槽、34极电机在两相通电时的电枢反应磁势分布。其电枢反应磁势分布呈现大量谐波。对它的磁势谐波分析可以看出,两极波的谐波含量最大,其次是17对极谐波,再次是19对极谐波,其余次数谐波的值均较小。如果将p=17定为主波,则p=1的两极波幅值为p=17波的1.4872倍,p=19波的幅值则为p=17波的0.8947倍。由此可见,由电枢电流产生的电枢反应磁场中两极分次谐波是最强的。从电枢反应磁势分布图也可以明显看出存在两极波。从图5给出的三种12槽/ 10极无刷直流电机的电枢反应磁场分布也可以明显看出存在两极波。这是分数槽集中绕组的单元电机在槽数为偶数时的情况。
采用A n s o f t公司的二维静态磁场分析计算软件M a x w e l l2DM A G N E T O S T A T I C分析计算了13个转子位置的磁场,以求得每个位置下空载和负载时的平均气隙磁密,再由此计算出电磁转矩,以分析电机电枢反应对气隙磁密和电磁转矩的影响。由有限元计算结果,13个位置空载气隙磁密和负载气隙磁密数值平均值之间最大只有2.5%。这说明电枢反应对空载磁场的影响并不明显。磁路设计计算时忽略电枢反应,近似认为负载气隙磁密与空载气隙磁密相等是合理的。
采用有限元计算得到额定负载下13个位置的每极平均磁通量,再计算出电磁转矩值,13个位置电磁转矩的平均值为200.45N·m,其最大偏差点为第7点,偏差值为5.778N·m,仅为平均值的2.9%。这是在不考虑换相的情况下,一个状态角范围内由电枢反应和齿槽效应引起的转矩波动。这一波动量并不大,也就证明了电枢反应对电磁转矩波动的影响也是可以忽略不计的
。
图3 两相通电时分数槽集中绕组电机的
电枢反应磁势分布
文献[10]基于深槽集中绕组无刷电机的结构特点、采用镜像法考虑了齿槽影响,建立了适合集中绕组无刷电机电枢反应的求解模型,推导了不同控制方式下的电枢反应磁场分布的解析表达式;结合一台18槽、12极(q=1/2)外转子深槽实验电机进行计算,空载气隙磁密为0.3T、额定电流为10.5 A时,在三相六拍工作制下其电枢产生的最大直轴气隙磁密为0.0063T,仅为空载气隙磁密的2.1%。
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为此,在忽略电枢反应的条件下,对实验样机的稳态性能进行仿真分析,得到的电流波形与实测电流波形吻合极好。这说明深槽集中绕组永磁电机的电枢反应较普通永磁电机小,在稳态分析时加以忽略在理论和实践上都是合理的。
多槽、多极、集中绕组三相无刷电机,它的槽数Z和极数2p十分接近,一个磁极下的最大电枢反应发生在该磁极正对着一个齿的时刻。这显然与整数槽情况完全不同。从图5可以看到,三种12槽/10极无刷直流电机的电枢反应磁场对永磁体的去磁或助磁情况,而且双层绕组和单层绕组电枢反应磁场也很不相同。
对于双层绕组,一个线圈的匝数为w=3W/Z,这个齿上线圈产生的去磁(或助磁)磁势可表示为:
F a=w I=3W I/Z(3)对于单层绕组,一个线圈的匝数为w=6W/Z,这个齿上线圈产生的去磁(或助磁)磁势可表示为:
F a=w I=6W I/Z(4)显然,在相同电流负载下,单层绕组比双层绕组的电枢反应去磁(或助磁)磁势要大一倍。如果槽数Z 比较多,分散到一个齿的去磁磁势自然就会变小,电枢反应对永磁磁场的总去磁效应就比较小。
7.2 磁势空间谐波在转子永磁体产生的涡流损耗
由永磁无刷直流电动机原理,电枢反应磁场在电枢圆周内是跳跃式旋转的,与转子有相对运动,使转子的永磁体和轭部必然产生感应涡流。但转子涡流损失通常被认为是微不足道的,因为整数槽情况下电枢反应磁势空间谐波较小。可是研究表明,集中绕组分数槽电机在永磁体内极可能产生明显的涡流损失。这是由于其定子电枢反应磁势(M M F)分布包含丰富的空间谐波,向前和向后旋转的M M F谐波在转子磁铁产生涡流。这种情况还因相电流有时间谐波而进一步加剧。由于稀土磁铁相对较低的电阻率,由此产生的涡流损失可能很大,可能导致温度上升,甚至导致部分磁体不可逆退磁,特别是在高转速、多极数、或大负载电机中可能发生。
文献[10]给出对两台大电流分数槽永磁电机的分析结果。在图4(a)表示24槽/22极电机(A 电机)空间谐波M M F分布频谱,而图4(b)显示了36槽/24极电机(B电机)M M F分布频谱。图中M M F单位是归化到每槽安匝数。可以看出,A电机定子绕组M M F分布包含更丰富的谐波:以第11、第13、第35、第37,…,次谐波为主,同时存在着低次谐波,如第5、第7、第17和第19等谐波。其中只有11M M F次谐波与22极永磁转子磁场的互相作用产生有效转矩。其他谐波,尤其是低次谐波,如第5、第7和第13次,将会导致磁铁涡流损失。对这两个大功率永磁电机采用有限元分析计算,在500A三相正弦电流负载下、转速为1700r/m i n时两个电动机转子涡流损失分别接近2000W和1000W
。
图4 电枢反应M M F空间谐波分布频谱
文献[11]分析计算了三种12槽/10极表面安装磁铁的分数槽永磁电机的转子永磁体涡流损耗。其中两个定子铁心齿有同样的宽度,第一个是双层绕组的,第二个是单层绕组的,第三个电动机是宽齿和窄齿交替,线圈绕在宽齿上,为的是最大限度地增加转矩密度。这里,M M F第5次空间谐波与转子磁体互动产生有用的电磁转矩,而其他空间谐波则使转子产生涡流损耗。有限元分析方法对无刷交流电机(B L A C)和无刷直流电机( B L D C)两种操作模式下分析预测磁体涡流损失。三相绕组相电流波形分别假定为正弦或长方形, B L A C运行模式设A相电流10A,另外两相电流为-5A;B L D C运行模式设两相通电电流为10A,另一相为零。该电机主要数据:定子内径28.5,铁心长50,气隙1,磁钢厚度3,B r1.2T,槽口宽2。图5给出了这三种12槽/10极无刷直流电机的电枢反应磁场分布
。
图5 三种12槽/10极无刷直流电机的电枢反应磁场分布
有限元分析方法计算结果,B L D C运行模式下的磁体涡流损耗与转子速度关系如图6所示。图中,三条曲线由下至上分别是双层绕组、单层绕
·58·
组、宽齿和窄齿交替的三种情况。曲线表明,该样机的确存在比较可观的磁体涡流损耗。磁体涡流损耗随着转速上升快速增长。三种情况下双层绕组的方案较好,因为它的M M F 空间谐波相对较少。计算结果还表明,B L A C 运行模式比B L D C 运行模式有较低的磁体涡流损耗
。
图6 三种12槽/10极无刷直流电机转子
涡流损耗与转速的关系曲线
8 结 论
从以上对永磁无刷直流电动机电枢反应的归纳和分析可以得到如下结论:
①本文推荐采用基于电枢反应磁势分布图的电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法。许多文献采用将电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的传统分析方法。该方法存在一些不足,并只适用于对整数槽电机的电枢反应分析,难用于对分数槽电机电枢反应的分析。
②对于整数槽电机,在一个状态角内任意时刻,由于电枢反应,转子磁极都存在前部增磁和后部去磁、合成气隙磁密分布呈现前高后低的不对称波形,其过零点有所前移。
电枢反应引起平均气隙磁密下降的主要原因是因磁路局部饱和、在一个状态角范围内任意时刻,都存在转子磁极前部的增磁未能够抵偿后部的去磁造成的。传统观点认为是一个状态角范围内,直轴电枢反应磁势作用从前半个状态去磁到后半个状态增磁的过程中,因磁路局部饱和、增磁未能够抵偿去磁的缘故,这个看法是不够确切的。
③电枢反应影响程度大小的关键是取决于转子磁路结构,如果转子磁路是各向同性,例如,选择瓦形或环形永磁体径向励磁结构,只要磁路没有局部饱和,在一个状态角范围内任意时刻,电枢反应对永磁转子的平均效应既没有去磁,也没有增磁,电枢反应的影响可以忽略。主要并非永磁体本身磁阻大的缘故。如果转子磁路结构是各向异性,例如,选择嵌入式结构,电枢反应的影响不可以忽略。
④电枢反应对电机性能不良的影响可归纳为:电枢反应使气隙磁通、感应电势、相电流、电磁转矩的变化和波形的畸变,电磁转矩波动增加,以及换相点的前移。
⑤分数槽集中绕组电机电枢反应对永磁磁场的去磁效应比较小,但定子电枢反应磁势分布包含丰富的空间谐波,可能造成明显的转子涡流损耗。
⑥为避免永磁体出现不可逆去磁,电机设计时需校核电枢反应磁势最大去磁作用。对于整数槽电机,在一个状态角初始点时刻永磁磁极后部承受电枢反应最大的去磁,对于分数槽集中绕组电机,在某个定子齿对准永磁磁极时承受电枢反
应最大的去磁。
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作者简介:谭建成(1940-),男,研究员级高级工程师,长期从事电机设计及无刷电机控制技术研究。
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永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
同步电机 一、填空题: 1. 同步电机_____________对_____________的影响称为电枢反应。同步发电机电枢反应的性质取决于 __________________________。 电枢磁动势;励磁磁动势;内功率因数角ψ 2. 同步发电机当?=0°时,除产生____________________电枢反应外,还产生__________________________ 电枢反应。 交轴电枢反应;直轴去磁电枢反应 3. 利用同步发电机的_____________与_____________曲线可以测量同步发电机的同步电抗,利用______ ______与_____________曲线可以测量同步发电机的定子漏电抗。 空载特性;短路特性;空载特性;零功率因数负载特性 4. 利用_________可以同时测量凸极同步发电机的直轴同步电抗与交轴同步电抗。 转差法 5. 同步发电机与电网并联运行的条件就 是:(1) ;(2) ;(3) ;(4) 。 发电机的频率等于电网的频率;发电机的电压幅值等于电网电压的幅值且波形一致;发电机的电压相序 与电网的电压相序相同;在合闸时,发电机的电压相位与电网电压的相位一样 6. ★同步电机的功率角θ有双重物理含义,在时间上就是 与 之间的夹角;在空间上就是 与 之间的夹角。 励磁电动势0E &;电压U &;励磁磁动势1 f F &;等效合成磁动势F δ'& 7. 同步发电机静态稳定的判据就是___________,隐极同步发电机静态稳定极限对应的功率角 θ= 。 0dT d θ >,90? 8. 同步发电机并联在无穷大容量电网上运行时,要调节输出的有功功率,必须调节___________________ ________;如果只调节其输出的无功功率,可通过调节______________实现。 原动机的输入功率(或输入转矩);励磁(电流) 9. 一台并联在无穷大容量电网上运行的同步发电机,功率因数就是超前的,则电机运行在______状态,此时 发电机向电网发出__________的无功功率;若不调节原动机的输入功率而使励磁电流单方向调大,当发 出的无功功率为零时,励磁状态为 状态;进一步增大励磁电流,电机变化到_____状态,此 时发电机向电网发出_______无功功率。 欠励;超前(或容性);正常励磁;过励;滞后(或感性) 10. 凸极同步发电机功角特性的表达式就是_________________________________________。 20sin sin 22d q M d d q X X E U P m mU X X X θθ-=+ 11. ★凸极同步发电机与电网并联,如将发电机励磁电流减为零,则发电机电磁转矩为 。
§2.3负载时直流电机的磁场――电枢反应 直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，简称电枢磁场，而电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。具体分析如下： 当电机带上负载后，电枢绕组中有电流通过，电枢电流将产生电枢磁动势，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。在直流电机中，不论电枢绕组是哪种型式，各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。 一、交轴电枢磁势Faq 电枢磁场如左图，若电枢上半周的电流为流出， 下半周为流入，根据右手螺旋定则，该电枢磁动 势建立的磁场如虚线所示。从图可见，电枢磁动 势的轴线总是与电刷轴线重合。与主极轴线正交的轴线通常称为交轴，与主极轴线重合的轴线称为直轴；所以当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势时交轴电枢磁动势。 左图是直流电机电流分布和电枢磁场情况示意图，为便于分析让其展开成右图。 设直轴线上与电枢外圆的交点为0点，在距0点的 x 处作一闭
合磁力线回路。 据安培回路定律研究该闭路，该闭路可包围的总电流数即为总磁势Fa：因为设 A 是沿电枢表面周长方向单位长度上的安培导体数： Zaia A=-------（安培导体数/cm) ∏Da 式中： Za――电枢绕组的总导体数； D――电枢外径； ia――电枢电流。 则闭路总磁势为Fa＝2xA ，略去铁内磁阻则每个气隙所消耗的磁势为Faq＝A×x。
交轴电枢磁势Faq（x）的分布为呈三角波（略去齿槽影响时），则电枢磁密的分布波形是――"马鞍形"波。如上右图ba（x）。 二、直轴电枢磁势Fad 如下图此图当电刷不在几何中线时，设移过一个小角度β，除了交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。 电枢磁势分解成两个分量Faq和Fad 即Fa＝Fad＋Fad 三、直轴电枢反应 若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。直轴 电枢反应仅存在于电刷不与几何中线处导体接触 时，此时也存在交轴电枢反应（以后分析），现
同步电机 一、填空题： 1. 同步电机_____________对_____________的影响称为电枢反应。同步发电机电枢反应的性质取决于__________________________。 电枢磁动势；励磁磁动势；内功率因数角ψ 2. 同步发电机当?=0°时，除产生____________________电枢反应外，还产生__________________________电枢反应。 交轴电枢反应；直轴去磁电枢反应 3. 利用同步发电机的_____________和_____________曲线可以测量同步发电机的同步电抗，利用______ ______和_____________曲线可以测量同步发电机的定子漏电抗。 空载特性；短路特性；空载特性；零功率因数负载特性 4. 利用_________可以同时测量凸极同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。 转差法 5. 同步发电机与电网并联运行的条件是：（1） ； （2） ； （3） ； （4） 。 发电机的频率等于电网的频率；发电机的电压幅值等于电网电压的幅值且波形一致；发电机的电压相序与电网的电压相序相同；在合闸时，发电机的电压相位与电网电压的相位一样 6. ★同步电机的功率角有双重物理含义，在时间上是 和 之间的夹角；在空间上是 和 之间的夹角。 励磁电动势0E &；电压U &；励磁磁动势1 f F &；等效合成磁动势F δ'& 7. 同步发电机静态稳定的判据是___________，隐极同步发电机静态稳定极限对应的功率角= 。 0dT d θ>，90 8. 同步发电机并联在无穷大容量电网上运行时，要调节输出的有功功率，必须调节___________________ ________；如果只调节其输出的无功功率，可通过调节______________实现。 原动机的输入功率（或输入转矩）；励磁（电流） 9. 一台并联在无穷大容量电网上运行的同步发电机，功率因数是超前的，则电机运行在______状态，此时发电机向电网发出__________的无功功率；若不调节原动机的输入功率而使励磁电流单方向调大，当发出的无功功率为零时，励磁状态为 状态；进一步增大励磁电流，电机变化到_____状态，此时发电机向电网发出_______无功功率。 欠励；超前（或容性）；正常励磁；过励；滞后（或感性） 10. 凸极同步发电机功角特性的表达式是_________________________________________。 20sin sin 22d q M d d q X X E U P m mU X X X θθ-=+ 11. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，则发电机电磁转矩为 。
同步电机电枢反应 磁场分析 一．课题内容 通过电磁场仿真计算明确同步电机电枢反应概念，仿真，分析和理解在同步电机定子电流为交轴，直轴去磁，直轴助磁情况下电机磁场的
分布情况，并重点分析气隙磁场的分布波形以及电枢反应对磁场大小的影响，总结电机电枢反应的规律。 二．课题背景 在同步电机中，电枢反应既是学习的难点也是重点。当同步电机作为发电机运行时，在空载时只有励磁绕组通有电流，主极磁场为直轴磁场，对称分布。若带三相对称负载，电枢绕组中通过三相对称电流时，会产生相应的电枢磁场。气隙内的磁场由电枢磁场和主极磁场合成。电枢反应的性质取决于电枢磁场和主磁场在空间的相对位置，其变化情况较为复杂，因此，利用仿真软件对同步电机的电枢反应进行分析，有利于加深对电枢反应的理解，并熟练掌握不同的情况下电机内磁场的分布规律。 三．探究方式 利用Maxwell 电磁场数值计算软件，建立两极同步电机的二维模型。通过改变定转子绕组电流，利用软件自带的作图系统，分布绘制电枢磁场分布，气隙磁场分布等图，对比分析得出同步电机磁场分布以及电枢反应影响的规律。 探究步骤 1单独给转子绕组通电流进行电磁场计算，画出空载时磁力线分布图和气隙磁场的磁密分布波形； 2单独定子绕组通交轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子绕组通电流，观察交轴电枢反应时磁场的扭斜情况，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；
3单独定子绕组通去磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子通电流，画出磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场是否减小，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形； 4单独定子绕组通助磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子绕组电流，画出电枢磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场的变化，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形； 5比较上述几种情况下的磁力线分布和气隙磁密分布波形，对照电枢电流情况总结同步电机电枢反应规律。 6根据上述结果，分析当发电机负载为阻感性负载时，电枢反应情况.并自己设定电枢电流数值，计算此种情况下的气隙合成磁场分布，画出磁力线图，气隙磁密分布图，比较计算结果与理论分析结果是否相符。 四．仿真结果 交轴电流，去磁直轴电流，助磁直轴电流三种情况下，在所建模型中每相电流的数值如下：（取转子电流1000A定子最大200A） I A I B I C 交轴100 -200 100 直轴去磁173 0 -173 直轴助磁-173 0 173 1.单独给转子绕组通电流 空载时磁力线分布图如下
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。
三相无刷直流电机系统结构及工作原理
图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。 2.4基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 2.5无刷直流电机参数 本系统采用的无刷电机参数 ·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N?m ·额定电流：4.0A
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
无刷直流永磁电动机设计实例 . 主要技术指标 1. 额定功率： P N 30W 2. 额定电压： U N 48V ，直流 3. 额定电流： I N 1A 3. 额定转速： n N 10000r /min 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸： 0.036 0.065m ． 主要尺寸的确定 1. 预取效率 0.63 、 2. 计算功率 P i 直流电动机 Pi ' K m P N 0.85 30 40.48W ，按陈世坤书 i N 0.63 12 长期运行 P i 132 P N 13 短期运行 P i 1 3 P N 4 3． 预取线负荷 A s ' 11000 A / m 4． 预取气隙磁感应强度 B ' 0.55T 5. 预取计算极弧系数 i 0.8 6． 预取长径比（ L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 根据计算电枢内径取电枢内径值 D i1 1.4 10 2 m 8. 气隙长度 0.7 10 3 4 m 9. 电枢外径 D 1 2.95 10 2 m 10. 极对数 p=1 11. 计算电枢铁芯长 L D i1 2 1.4 10 2 2.8 10 2 m 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长 L= 2.8 10 2 m 13. 输入永磁体轴向长 L m L 2.8 10 2 m 定子结构 1. 齿数 Z=6 设计者经验得 1.43T ， b t 由工艺取 0.295 10 2 m 3 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图 D i1 3 i A 6s . B 1P i n N 6.1 40.48 0.8 11000 0.55 2 10000 1.37 10 2 m 4. 预估齿宽 : b t tB B t K Fe 0.733 10 2 0.55 1.43 0.96 0.294 10 2m ， B t 可由 12. 极距 D i1 2p 3.14 1.4 10 2 2 2.2 10 2 m 2. 齿距 i1 3.14 1.4 10 2 0.733 10 2m 5. 预 估 轭 高 : h j1 a i B 2lB j1K Fe 2K Fe B j1 2.2 0.8 0.55 0.323 10 2m
无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路
无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
（图一） 无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL 一组， 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则
同步电机
第八章同步电机 8.1 同步电机原理和结构 1．同步发电机原理简述 （1）结构模型： 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。最常用的转场式同步电机的定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁 磁场（也称主磁场、转子磁场）。除了 转场式同步电机外，还有转枢式同步发 电机，其磁极安装于定子上，而交流绕 组分布于转子表面的槽内，这种同步电 机的转子充当了电枢。图8-1-1给出了 典型的转场式同步发电机的结构模型。 图中用AX、BY，CZ 共3个在空间错 开120°电角度分布的线圈代表三相对称 交流绕组。 （2）工作原理 同步电机电枢绕组是三相对称交流绕 图8-1-1 同步电机结构模型 组，当原动拖动转子旋转时，通入三相对 称电流后，会产生高速旋转磁场，随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为， E0＝4.44f NФf k w （8-1-1） 式中f——电源频率；Фf——每极平均磁通； N——绕组总导体数；k w——绕组系数； E0是由励磁绕组产生的磁通Фf在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。由于三相电枢绕组在空间分布的对称性，决定了三相绕组中的感应电势将在的时间上呈现出对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。通过绕组的出线端将三相感应电势引出后可以作为交流电 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
电机与拖动基础 课程设计报告 设计题目： 学号： 指导教师： 信息与电气工程学院 二零一六年七月
直流无刷电机本体设计 1. 设计任务 (1) 额定功率 80N P W = (2) 额定电压310N U V ≤ (3) 电动机运行时额定转速 1000/min N n r = (4) 发电机运行时空载转速max 6000/min n r = (5) 最大允许过载倍数 2.5λ= (6) 耐冲击能力21500/m a m s = (7) 机壳外径42D mm ≤ 设计内容： 1. 根据给定的技术指标，计算电机基本尺寸，包括：定子铁心外径、定子铁心内径、铁心长度等。 2. 磁路计算，包括极对选择、磁钢选型、磁钢厚度、气隙长度等方面计算。 3. 定子绕组计算，包括定子绕组形式、定子槽数、绕组节距等计算。 2. 理论与计算过程 2.1 直流无刷电机的基本组成环节 直流无刷电动机的结构原理如图2-1-1所示。它主要由电机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,……）组成。图中的电机本体为三相电机。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此，所谓直流无刷电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2-1-2所示。
用途 永磁直流电机是用永磁体建立磁场的一种直流电机。永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中，如录音机、VCD机、电唱机、电动按摩器及各种玩具，也广泛应用于汽车、摩托车、电动自行车、蓄电池车、船舶、航空、机械等行业，在一些高精尖产品中也有广泛应用，如录像机、复印机、照相机、手机、精密机床、银行点钞机、捆钞机等。在舞台灯光方面，永磁直流电机，特别是小型永磁直流齿轮电机的用量非常大。计算机行业中的打印机、扫描仪、硬盘驱动器、光盘驱动器、刻录机、冷却风扇等都要用到大量的永磁直流电机。 汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、打气泵更是用到各种永磁直流电机。宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机等都用到永磁直流电机、在武器装备中，永磁直流电机广泛应用于导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 在工农业方面，永磁直流电机也广泛用于电气和自动化控制及仪器仪表中。在医用方面，永磁直流电机用处更不小，如医用的各种仪器、手术工具，如开脑手术中的电动锯骨刀，特别是野外手术中的各种仪器基本上都是用的永磁直流电机。在残疾人用品方面，如机械手、残疾车等都用到永磁直流电机。在生活方面，用处更多，连牙刷也用永磁直流电机做成电动牙刷了。永磁直流电机的应用真是举不胜举，可以说是无处不在。 随着时代的发展，永磁直流电机的应用会更多，原先用交流电机的许多场合均被永磁直流电机所替代。特别是出现永磁无刷电机后，永磁直流电机的生产数量在不断地上升。我国每年生产的各种永磁直流电机大达数十亿台以上，生产永磁直流电机的厂家不计其数。
特点 1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速； 2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构； 3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载； 4、体积小、重量轻、出力大； 5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小； 6、无级调速，调速范围广，过载能力强； 7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置； 8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%。 9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单； 10、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长； 11、不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型； 12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。
第六章 同步电机 一、填空 1. ★在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。 答 交轴 2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。 答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致 3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出 ，产生 电枢反应。 答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁 4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。 答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压 5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。 答 增加 6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。 答 减小 7. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。 答 δsin2)X 1X 1( mU d q 2 - 二、选择 1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率； C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。 答 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，则其电枢反应的性质为（ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答 C 3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。 A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强； C 电枢反应产生增磁作用； D 同步电抗较大。 答 B
4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。 A q aq d ad X X X X X >>>>σ； B σX X X X X q aq d ad >>>>； C σX X X X X ad d aq q >>>>； D σX X X X X aq q ad d >>>>。 答 D 5. 同步补偿机的作用是（ ）。 A 补偿电网电力不足； B 改善电网功率因数； C 作为用户的备用电源； D 作为同步发电机的励磁电源。 答 B 三、判断 1. ★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零 。 （ ） 答 错 2. 同步发电机的功率因数总是滞后的 。 （ ） 答 错 3. 一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好 。 （ ） 答 错 4. 改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。 （ ） 答 错 5. ★同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。（ ） 答 错 6. ★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。 （ ） 答 错 7. ★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。 （ ） 答 错 8. 同步发电机的稳态短路电流很大。 （ ） 答 错 9. 利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（ ） 答 错 10. ★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。 （ ） 答 对 11. 与直流电机相同，在同步电机中，U E >还是U E <是判断电机作为发电机还是电动机运行的依据之一。 （ ） 答 错 12. ★在同步发电机中，当励磁电动势0 E &与I &电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电枢反应 。 （ ） 答 错 四、简答 1. ★测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降至0.951n ，对试验结果有什么影
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
中图分类号:T M 36+1 文献标志码:A 文章编号:1001-6848(2009)11-0052-08 永磁无刷直流电机电枢反应综述与分析 谭建成 (中国电器科学研究院,广州 510300) 摘 要:就电枢反应对永磁无刷直流电动机性能的影响进行归纳和分析,指出一些值得商榷的地方,如采用基于电枢反应磁势分布图方法分析电枢反应对气隙磁场的影响,与将基于电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的传统分析方法相比,可得到更直观的理解和更准确的认识。电枢反应影响程度大小的关键是转子磁路结构。最后讨论了分数槽集中绕组无刷电机电枢反应的特殊问题。 关键词:无刷直流电动机;电枢反应;去磁效应;磁势谐波;转子涡流损耗 S u mm a r y a n dA n a l y s i s o n t h e A r m a t u r e R e a c t i o n o f P e r m a n e n t Ma g n e t B r u s h l e s s D Cm o t o r T A NJ i a n -c h e n g (C h i n a E l e c t r i c a l A p p a r a t u s R e s e a r c h I n s t i t u t e ,G u a n g z h o u 510300,C h i n a ) A b s t r a c t :S u m m a r i z e d a n d a n a l y s e d o n t h e a r m a t u r e r e a c t i o n o f t h e p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s D C m o -t o r ,a n d d i s c u s e d s o m e q u e s t i o n s a b o u t a r m a t u r e r e a c f i o n o f P e r m a r e n t m a g n e t b r u s h l e s s D Cm o t o r .K e y Wo r d s : B r u s h l e s s D Cm o t o r ;A r m a t u r e r e a c t i o n ;M M Fh a r m o n i c ;D e m a g n e t i z i n g e f f e c t ;E d d y -c u r r e n t l o s s 收稿日期:2009-09-290 引 言 永磁电机气隙磁场是由永磁磁势和电枢绕组磁势共同作用产生的。电机负载运行时电枢电流产生的磁势对气隙磁场的影响称为电枢反应。对有刷直流电机,其电枢反应磁场与主磁极磁场是正交的。电枢磁场使主磁极磁场发生歪扭。电动机状态时的电机极前端磁场加强,极后端磁场消弱,并且消弱和加强的磁动势基本相等。由于磁路饱和的影响,结果使主磁极总磁通有所消弱,并且负载越大,磁路越饱和,去磁作用越明显。电枢反应不仅对主磁极磁场有去磁作用,还引起主磁极磁通歪扭,使磁极物理中性面处磁场不再为零,给换向带来不利因素。而对永磁无刷直流电动机,毕竟其运行机理和结构不同,其电枢反应除与磁路结构及饱和程度有关外,还与电枢绕组形式、导通方式和状态角的大小等因素有关。而且,如下面分析可以看到,在一个状态角不同时刻电枢反应磁场和永磁磁场空间相对关系不是固定的,也和有刷直流电动机情况不同,所以无 刷直流电动机的电枢反应同有刷直流电动机的有区别。无刷直流电动机磁路设计时,如果还按有刷直流电动机那样考虑电枢反应来确定永磁体负载工作点,将会引起较大误差。有相当数量的文献就永磁无刷直流电动机的电枢反应对气隙磁通、感应电势、电磁转矩波动和正常换相的影响进行了研究。本文对此进行归纳和分析,并指出一些值得商榷的地方。 1 电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的分析方法 不少文献采用将电枢反应磁势分解为直轴分量和交轴分量的传统方法分析无刷直流电动机电枢反应的影响。为分析方便,先观察采用星形接法、整数槽绕组、三相六状态换相方式的两极内转子结构电机,如图1所示。这种接法的特点是每一工作周期有6个状态,每个状态占60°电角度。当电机转子逆时针方向旋转时,图1分别为一个状态的初始点、中间点和最终点时刻永磁转子的位置和电枢反应磁势的分解图。图中,F r 表示永磁磁势;每一状态有两相绕组串联导通(这里是A 相和B 相导通),电流I 产生的电枢反应磁势以F a 表 · 52·