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气隙磁场波形及磁瓦充磁方式对无刷直流电动机性能的影响

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:1439

摘要:对比研究了梯形(或方波)气隙磁场与正弦气隙磁场对无刷直流电动机若干性能的影响,指出在不作PWM电流调制时正弦磁场更适合于无刷直流电动机,并且在使用表面粘贴磁瓦时平行充磁优于径向(辐射)充磁。

1引言永磁无刷电动机分两类,即无刷直流电动机和永磁同步电动机,后者在国际上亦称为无刷交流电机。两者的电机本体及逆变器在结构上是一致的,但是在特性和控制上又各有特点。永磁同步电动机要求具有正弦形反电势(本文中无特殊说明时均指相电势),因此往往把气隙磁场设计成正弦的,并且所馈人的电流也是正弦的。永磁同步电动机转矩平稳,控制性能优越,但成本较高。相反地,无刷直流电机成本较低,通常要求有120°梯形波反电势和120°方波相电流,这样电磁转矩是平稳的。为了获得120°梯形波反电势,一般要求气隙磁场是梯形或方波形(与绕组形式有关)。

   电机总的转矩脉动由电磁转矩脉动分量、齿槽定位力矩等组成。在实际的无刷直流电动机中,标准的梯形波反电势很难获得,电流波形一般远远偏离方波,故电磁转矩脉动很大;梯形或方波分布的气隙磁场往往造成较大的齿槽定位力矩。所以,实际无刷直流电动机的转矩脉动很大,控制性能比永磁同步电动机差,往往不作伺服控制用。基于这样的理由,在设计无刷直流电动机时追求120°梯形波反电势就没有意义;有意义的是在使用相同材料的前提下如何提高有效电磁转矩(平均转矩)、降低损耗,并尽可能降低转矩脉动。

   在实际的无刷直流电动机中,正弦或接近正弦的反电势比梯形波反电势更易获得,所以本文将对比分析正弦形和梯形波反电势对电机性能的影响。并且,在使用表面粘贴磁钢的电机中,气隙磁场与反电势的波形与幅值均受磁钢充磁方式的影响,所以本文也将对平行和径向(也称辐射)两种充磁方式作对比研究。

2反电势波形的影响

   在理想情况下,无刷直流电动机的反电势为120°梯形波,相电流为120°方波。若反电势的幅值是Em,电流幅值是Lm,电磁转矩是Tm则反电势、电流的基波和谐波分量以及同次谐波产生的有效电磁转矩分别如表1所示:

表1各次谐波电势、电流、转矩表

   表中的负号表示与基波间的180°相位差。由此可见,基波反电势是产生有效转矩的决定因素,3次谐波不贡献有效转矩,5次和7次谐波产生的有效转矩很小,且相互反向而基本抵消,更高次谐波对有效转矩的影响极小。换言之,若气隙磁场是正弦形且幅值较高、产生的正弦反电势的幅值达1.216Em,而电流仍然是幅值为Im的方波,则产生的有效电磁转矩基本不变(1.006 T)。所以,从有效电磁转矩的角度来看,重要的因素是气隙磁场及反电势的基波分量,而其波形并不重要。当然,波形的偏异会引起转矩脉动。另外需要指出的是,3次、9次等零序分量的反电势甚至对电机的瞬态电流和转矩都没有影响。这是因为电机绕组的中心线并不连接到电源或逆变器上,逆变器为电机提供的是线电压而不是相电压,因此影响电机瞬态电流和转矩的是线电势而不是相电势,但是在线电势中并不存在零序分量的反电势;换言之,逆变器“看不到”零序分量反电势。

   无刷直流电动机在不调速时一般不采用PWM,其典型的电流波形中含有明显的脉动。在调速时可采用两类PWM:(1)采用电流型PWM时,需实时采样相电流,并根据采样电流和方波形参考电流的比较结果来决定逆变器的触发,所以PWM是始终变化的。在中、低速区电机电流可以调制成120°方波,但是在高速区电流就不再是方波。由于需要电

流传感器采样相电流,成本较高,所以这种PWM不常用。(2)采用电压型:PWM时,仅在逆变器触发信号上叠加一系列均匀的:PWM脉冲即可,电流波形类似不加PWM时的情况,但包含较多斩波脉冲。这种方法成本低,所以很常用。所以,在实际的无刷直流电动机中,电流一般都不是方波的。图1给出了某高速电机在不加PWM时典型电流波形的仿真结果。在仿真中,梯形反电势用基波、3次、5次、…、13次谐波拟合,所得电流和电磁转矩波形如图1 a所示,当平均转矩(等于负载转矩)为O.18 N·m时,转矩脉动的峰一峰值相对平均转矩为36.8%,电机转速为76 600 r/min。之后删除反电势中的3次和9次零序分量,仿真结果完全不变。最后只用基波反电势进行仿真,结果如图1b所示,在相同平均转矩下,转矩脉动反而降低为28.1%,电机转速基本不变(76 000 r/min)。仿真表明,梯形反电势中的谐波分量对平均电磁转矩并无明显贡献,梯形反电势也并不比正弦形反电势更有利于减小转矩脉动。

  

(a)采用梯形反电势                        (b)采用正弦形反电势

图1反电势波形对无刷直流电机电流与电磁转矩的影响

3气隙磁场波形及磁钢充磁方式的影响

   前已证明正弦形反电势可以应用在无刷直流电动机中,且引起的电磁转矩脉动并不比采用120°梯形反电势的情况大。并且,在实际电机中正弦或接近正弦的反电势很容易实现,例如,可以将气隙磁场设计成接近正弦形。在采用表面粘贴磁钢的电机中,可以通过优化磁钢的外形来实现预想的气隙磁场波形,也可以使用很简单的磁环或等厚度的磁瓦并采用恰当的充磁方式来实现。这里将就磁环或极弧为180°电角度的磁瓦作进一步研究。

3.1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2a是某3 kw、100 kr/min高速电机中2极磁瓦在不同充磁方式下所得的气隙磁场分布波形。有限元分析时忽略了槽开口的影响。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分布,但是,经傅立叶分解,其基波分量只是前者的91.2%,3次、5次和7次谐波分别是其

基波的16.3%,3.8%和1.0%,可见5次或更高次谐波都很小。图2b是4极磁瓦在不同充磁方式下所得的气隙磁场分布波形。5次或更高次谐波都可忽略不计,平行充磁时3次谐波是基波的4.2%,径向充磁时3次谐波是基波的6.2%。值得一提的是,与径向充磁相比,平行充磁可将基波气隙磁场提高26.7%。以上分析表明,平行充磁将使气隙磁场接近于正弦形分布,并且有利于提高磁场基波分量和有效电磁转矩。

                

(a)2极磁瓦在不同充磁方式下产生的气隙磁场     (b)4极磁瓦在不同充磁方式下产生的气隙磁场

图2平行和径向充磁方式下气隙磁场的比较

3.2.定子开路铁耗

   定子铁耗包括转子磁场旋转引起的开路铁耗(有时也称作空载铁耗)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开路铁耗的影响。定子开路铁耗主要受电机旋转频率、铁芯磁密幅值等影响。平行充磁时气隙磁密幅值比径向充磁时较高,但谐波分量较少,所以两者的

每极磁通量接近(在前述高速电机中前者是后者的1.03倍),因此,定子铁心磁密也接近;另外,对前述高速电机的有限元分析表明,径向充磁时铁芯中的局部饱和相对较明显。所以,总体而言,定子开路铁耗在采用平行充磁磁瓦和径向充磁磁瓦的两种条件下基本相同,如图3所示。

    图3平行和径向充磁方式下定子开路铁耗的比较

3.3转子开路涡流损耗

   转子涡流损耗在中、低速永磁无刷电动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。转子涡流损耗由开路损耗和电枢谐波电流引起的附加损耗等组成。开路损耗是槽开口引起气隙磁导交变进而引起磁钢内磁场变化而产生的;该损耗只有在转子旋转时才出现。另外,在高速电机转子上往往还采用非导磁的保护套,其材料一般是不锈钢、钛合金、环氧固化的碳素纤维等。不锈钢保护套具有成本低、加工容易、强度高等优点,因此比较常用,但其电导率高,故涡流损耗较大。利用有限元法对前述高速电机磁瓦和不锈钢保护套中的开路涡流损耗进行分析,结果表明两种充磁方式下的损耗基本相同,如图4所示。

 图4平行和径向充磁方式下开路转子涡流损耗的比较

3.4齿槽定位力矩

   齿槽定位力矩是评价永磁无刷电动机性能的重要指标。通常情况下,若气隙磁场趋向正弦分布,则齿槽定位力矩就比较小。这是多极永磁无刷交流伺服电动机中采用Hslbach磁钢的重要原因。在2极电机中,若180°磁瓦作平行充磁,则气隙磁场就是正弦分布,可以有效降低齿槽定位力矩。图5的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定位力矩的比较

4结  论

   无刷直流电动机通常要求具有120°梯形波反电势,这样在120°方波电流作用下可以产生平稳电磁转矩。但是,在实际的无刷直流电动机中相电流往往不是方波形的,因此电磁转矩并不平稳;并且齿槽定位力矩等也会造成转矩脉动。所以本文对反电势和气隙磁场波形以及磁瓦充磁方式对电机性能的影响作了深入研究,表明:

   (1)120°梯形波反电势中基波分量是贡献有效电磁转矩的主要因素,其谐波分量的影响很小;在不采用PWM的情况下,梯形反电势也并不比正弦形反电势更有利于减小转矩脉动,所以在无刷直流电动机中完全可以采用正弦形反电势;

   (2)表面磁瓦采用平行充磁时,与采用径向充磁相比,可使气隙磁场和反电势更趋近正弦形、基波反电势和有效电磁转矩更高、齿槽定位力矩明显降低,而开路定子铁耗和转子涡流损耗受充磁方式的影响很小,所以平行充磁优于径向充磁。

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