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高速无刷直流电机转子充磁方式研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:5249

摘  要:高速无刷直流电机具有功率密度高、体积小、效率高等优点。充磁方式对电机性能影响很大。结合所研制的2.3 kw,150 ooo r/min高速无刷直流电机,对比分析了平行充磁和径向充磁方式对电机电磁转矩空载损耗和齿槽转矩性能的影响。结果表明,平行充磁优于径向充磁。

0  引  言

  永磁同步电机采用正弦电流驱动,因此由谐波引起的损耗很小,但是在高速条件下,为电机调制出高频、大功率的正弦电流是不切实际的。本文研究的高速永磁无刷直流电机采用两两导通三相六状态导通方式。为了减小功率管的开关损耗,额定运行时不采用PWM电流调制。对于高速永磁无刷直流电机来说,转子永磁体通常采用面贴式结构,气隙磁场和反电势的波形与幅值均受磁钢充磁方式的影响。本文将对平行和径向(也称辐射)两种充磁方式做对比研究。

1转子永磁体充磁方式

1.1气隙磁场波形及幅值

   平行充磁和径向充磁在磁瓦生产过程中都很常用。图1是高速永磁电机转子2极磁瓦在不同充磁方式下所得的气隙磁场波形。采用平行充磁时气隙磁场呈正弦分布,径向充磁时气隙磁场接近梯形波。经傅立叶分解,径向充磁的气隙磁场基波分量是平行充磁的107.1%,3次、5次和7次谐波分别是基波的22.3%、9.5%和1.4%。径

向充磁和平行充磁相比,虽然能将基波气隙磁场提高7.1%,但是气隙磁场中含有大量谐波分量。

          

(a)径向充磁气隙磁场 (b)平行充磁气隙磁场             (c)气隙磁场波形对比

图1  两极磁瓦在不同充磁方式下的气隙磁场

1.2对电磁转矩的影响

图2给出了2.3 KW、150 000 r/min的2极、6槽、集中绕组结构的高速永磁无刷直流电机采用平行充磁和径向充磁在不加PWM时的相反电势和线反电势、相电流仿真结果。平行充磁的相反电势和线反电势均为正弦波型,在相同平均转矩下,转矩脉动从径向充磁的10.6%降低为平行充磁的7.9%。仿真表明,平行充磁有利于减小转矩脉动。

        

(a)高速无刷直流电机相电压、线电压、相电流波形            (b)高速无刷直流电机电磁转矩

                          图2高速无刷直流电机充磁方式对比

1.3定子空载铁耗

   定子铁耗包括转子永磁磁场旋转引起的空载铁耗和电枢电流引起的附加铁耗。由于磁路饱和等非线性因素,负载时的定子铁耗并不是二者的简单叠加,但在很大程度上受定子空载铁耗的影响。图3给出了2.3 kW、150 000 r/min的高速无刷直流电机采用平行充磁和径向充磁时的空载铁耗。两台电机气隙磁场的基波分量相同,额定运行时反电势和电流波波形如图2(a)所示。由于径向充磁时含有大量谐波分量,使得每极磁通量和定子铁心磁密均大于平行充磁,因此在采用径向充磁时定子空载铁耗大于平行充磁,如图3所示。

1.4转子空载涡流损耗

   转子涡流损耗在中、低速永磁无刷直流电机中往往是忽略不计的,但是在高速电机中却是影响效率、甚至造成磁钢过热退磁的重要因素。转子空载涡流损耗是由槽开口引起的,而且随着气隙长度的增加而减小。永磁体的充磁方式只影响转子空载涡流损耗。由于高速永磁无刷直流电机的气隙较大,转子空载损耗只占总体涡流损耗的很小部分。采用暂态有限元模型对2.3 kw、150 000 r/min高速无刷直流电机永磁体和碳素纤维保护环中的空载涡流损

耗进行了计算,如图4所示。结果表明,径向充磁的率载转子涡流损耗大于平行充磁。

 图3    0.05 mm坡莫合金定子平行和径向充磁方式下空载铁耗对比

                  

(a)径向充磁转子涡流分布       (b)平行充磁转子涡流分布    c)空载转子涡流损耗对比                        

图4平行和径向充磁方式下空载转子涡流损耗对比

1.5齿槽转矩

齿槽转矩是评价永磁无刷电机性能的重要指标。通常情况下,若气隙磁场趋向正弦分布,则齿槽转矩就比较小。这是多极永磁无刷交流伺服电机采用Halbach磁钢的重要原因。在两极电机中,若180°磁瓦采用平行充磁,则气隙磁场就是正弦分布。通过采用平行充磁能有效降低齿槽转矩。图5有限元分析结果就证明了这一点。

 图5  平行和径向充磁方式下齿槽转矩的比较

2  结  论

   在不采用PWM斩波的情况下,平行充磁的相反电势和线反电势均为正弦波,有利于减小转矩脉动;与采用径向充磁相比,表面磁瓦采用平行充磁时可使气隙磁场更趋近正弦形,有利于减小空载定子铁耗、齿槽转矩和转子涡流损耗,所以对于高速永磁无刷直流电机而言,平行充磁优于径向充磁。

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