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星形联结三槽永磁直流电动机电枢反应的分析

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:944


   摘要:对星形联接三槽永磁直流电机电枢反应进行了分析,指出其电枢反应规律不同于三角形联结的电机,在正转和反转时电枢反应的性质不同,导致电机输出转矩不同。计及了电流换向和齿槽效应引起的波动,采用有限元法计算了星形联结电机的电磁转矩,证明了分析的正确性。

1引言

   三槽永磁直流电动机由于工艺结构简单性能良好而得到广泛的应用,如盒式录音机、剃须刀以及玩具中的电动机,几乎都是三槽永磁直流电动机,可以说它是量大面广的一种永磁直流微电机,准确分析三槽永磁直流电动机性能具有重要的意义。在这种电机中,线圈联结方式有三角形和星形两种。三角形联结方式是线圈首尾相接,三角形的顶点分别与三个换向片相连,并通过电刷与电源相连。星形联接时,三个引出线分别接到换向片上,而另外三个引出线相互联接形成星形的中点,如图1所

  

(a)三角形联结          (b)星形联结

图1  三槽永磁直流电动机结构示意图

   目前,对三槽永磁直流电动机电枢反应分析均以三角形联结为模型,经过分析得出,其电枢磁势在交轴左右摆动,摆动的角度就是相邻二次换向时转子转过的角度,其平均方向为交轴。本文对星形联结三槽电机的电枢反应进行了研究,发现星形联结的电机不同于三角形联结,在正转和反转时电枢反应的性质不同,会导致电机在不同转向时的输出转矩不同。

2电枢反应分析

   分析星形联结三槽电机的电枢反应时,采用和三角形联结电机时相同的假设,认为换向时间很短,可以忽略。设图1b所示的转子位置为起始位置,转子位置角θ=0。设磁极极性上面为N极,下面为S极,N极下的电刷为电刷1,S极下的电刷为电刷2,电枢电流为Ia,每一线圈的匝数为N。设1号线圈的的引出线接在换向片1上,依此类推。三角形联结的电机中,除了换向瞬间外,都有两条并联支路,一条支路中有一个线圈,另一条支路中有两个线圈串联。在星形联结的电机中,除换向瞬间外,三个绕组中只有两个绕组有电流,为反向串联,另外一个绕组悬空。通过分析发现由于联结方式不同,使得电流的分布、变化规律以及电机在不同转向下的电枢反应性质不同,从而影响电机的电磁转矩。

2 1星形联结的三槽电机逆时针旋转时的电枢反应  

图2  星形联结三槽永磁直流电机在逆时针旋转时的电枢反应

如图2所示,电机的转向为逆时针时,初始位置时电流的方向如图2a所示,电刷l与换向片1接触,电刷2与

换向片3接触,线圈l和线圈3串联,线圈中的电流等于电枢电流,线圈2悬空,电流为0,合成磁势Fa的大小为

 ,合成磁势的轴线偏离q轴30°。随着转子的转动,合成磁势随之变化,转子转过30°,到达图2b的位置,Fa也转过30°,到q轴位置。转子再转过一点后,如图2c所示,电刷l与换向片2接触,电刷2与换向片3接触,则线圈2和线圈3串联,线圈l悬空,合成磁势方向的轴线偏离q轴60°。图2d中,转子转过30°,合成磁势也转过30°,到达偏离q轴30°的位置,回到了图2a的位置。

   从上面分析可见,合成磁势的轴线在偏离q轴30°的方向摆动,摆动角度为60°,平均方向在偏离q轴30°处。

在图中所示电机永磁磁极极性和电刷极性时,电机转矩方向为逆时针方向,电枢磁势的交轴分量在西2NI。一再NIa之间变化,而直轴磁势为去磁磁势,大小在0~3/2NIa之间变化。平均磁势是去磁,其位置不在交轴。

2.2星形联结的三槽电机顺时针旋转时的电枢反应

   当电机的转向为顺时针方向,转子在图3a中的位置时,电流的方向为图中所示,电刷l与换向片l接触,电刷2与换向片3接触,合成磁势方向与图3a中的相反。电机顺时针转动,转过30°,合成磁势也顺时针转过30°即偏离q轴60°,到达图3b位置。转子再转过一点,到达图3c的位置,电刷1与换向片1接触,电刷2与换向片2接触,线圈l和线圈2串联导通,线圈3悬空,合成磁势改变方向,转到q轴;转子继续旋转,合成磁势随之变化,转

子转过30°,合成磁势也顺时针转过30°,到达图3d所示位置。

 图3星形联结三槽永磁直流电机在顺时针旋转时的电枢反应

   从上面可以看到,电刷改变极性,电枢磁势也发生变化,电枢磁势的交轴分量在q轴的反方向上,大小在 2NIa~ 间变化,电枢磁势的直轴分量为助磁磁势,变化范围为0~3/2NIa。平均磁势的性质为助磁,其位置不在交轴上。

   可以得出:星形联结的三槽电机,其电枢反应磁势平均值在并不在q轴上,而是与转向有关。

2 .3对电磁转矩的影响

   由于电磁转矩是主极直轴磁场和电枢交轴磁场相互作用而产生的,在直流电机中,电磁转矩正比于主极直轴磁势与电枢交轴电枢磁势的乘积。对于前面图中的星形联结的三槽电机,在逆时针旋转时,电枢磁势的直轴分量为去磁磁势,主极的直轴磁场被削弱,顺时针旋转时直轴分量为助磁磁势,主极的直轴磁场被增强。所以顺时针旋转时电机的电磁转矩要大于逆时针旋转的电磁转矩。

   综上所述,对于星形联结的三槽电机,改变电刷极性,一方面会改变电枢磁势交轴分量的方向,从而改变电磁转矩的方向;另一方面会改变直轴电枢反应的性质,影响直轴合成磁场的大小,从而改变电磁转矩的大小。而对于三角形联结的三槽电机,由于电枢磁势的直轴分量在一个换向周期内助磁和去磁交替变化,当改变电刷极性,改变转向时电枢磁势的直轴分量仍然会保持这个特点,所以改变转向时不会影响转矩的大小。三角形联结电机和星形联结电机的绕组接线方式不同,导致换向时两种电机中绕组电流的变化规律不同,影响了电枢磁势的变化规律。通过下面的有限元数值计算,可以证明对星形联结三槽电机电枢反应的定性分析是正确的。

3计算实例

   根据上面导出的计及换向时电流的变化规律,用有限元方法计算星形联结三槽永磁电机的电磁转矩。

   样机数据为机壳外径40mm,机壳内径37mm,永磁厚度5mm,永磁磁极张角17°,转子外径26mm,转子内径

2.5mm,齿宽4mm,电枢轴向长度16 mm。

   计算方法如下:给定电枢电流,让转子以一定的步长转动,根据转子的位置,确定各线圈的电流分布.让转子

旋转60°,在不同的转子位置计算电机的转矩,可以得到转矩随转子位置的变化规律,对转矩求平均值,就是在这

个电枢电流下的平均转矩。给定不同的电枢电流进行计算,可以得到电磁转矩随电枢电流的变化规律。

   在计算中根据换向片的实际宽度来计算绕组电流的变化。换向期间绕组电流根据直线换向来计算。在不同转子位置下进行磁场计算时,采用了运动边界法处理转子的运动,避免了在转子位置不同而进行重复剖分。

   图4a、4b为在θ=0时电机逆、顺时针旋转时的磁力线分布。从图中可以看出,在不同转向下所通电枢电流方向不同,产生的交轴磁势的方向相反,因而主极磁场扭斜的方向也不同。

   图4三槽永磁电机在两种转向下初始位置时磁场分布

   图5a、5b为电机顺、逆时针旋转时不同电枢电流下电磁转矩随转子位置的变化规律。随着转子位置的变化,电磁转矩是波动的。引起波动的原因有两个,由于齿槽效应引起转矩波动和换向引起电流变化从而引起转矩波动。

图6为电机在两种转向时电磁转矩随电流的变化规律。从图中可以看出,两个转向下的平均电磁转矩是不同的。相同的电枢电流下,顺时针时转矩要大些,这一结果与前面对星形联结的电枢反应得到的分析结论是一致的。证明了前面的分析是正确的。明确了星形联结三槽电机的这个特点,对电机的设计和应用有指导意义。

4结论

本文对三槽永磁直流电动机的电枢反应进行了深入分析,发现星形联结的三槽电机不同于三角形联结,其电枢反应磁势的平均方向不是在交轴,而是不同转向时的电枢反应性质不同,导致在不同转向时输出转矩不同。通过有限元数值计算,考虑线圈换向时电流的变化和转,子运动,得到了电磁转矩变化规律,计算结果证明了对于星形联结三槽电机的电枢反应的分析是正确的。

      

(a)转子位置角度(顺时针)                    (b)转子位置角度(逆时针)

               图5  电磁转矩随转子位置的变化

 图6两种转向的平均电磁转矩随电流的变化

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