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高速無刷直流電機轉子充磁方式研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3852

摘  要:高速無刷直流電機具有功率密度高、體積小、效率高等優點。充磁方式對電機性能影響很大。結合所研制的2.3 kw,150 ooo r/min高速無刷直流電機,對比分析了平行充磁和徑向充磁方式對電機電磁轉矩空載損耗和齒槽轉矩性能的影響。結果表明,平行充磁優于徑向充磁。

0  引  言

  永磁同步電機采用正弦電流驅動,因此由諧波引起的損耗很小,但是在高速條件下,為電機調制出高頻、大功率的正弦電流是不切實際的。本文研究的高速永磁無刷直流電機采用兩兩導通三相六狀態導通方式。為了減小功率管的開關損耗,額定運行時不采用PWM電流調制。對于高速永磁無刷直流電機來說,轉子永磁體通常采用面貼式結構,氣隙磁場和反電勢的波形與幅值均受磁鋼充磁方式的影響。本文將對平行和徑向(也稱輻射)兩種充磁方式做對比研究。

1轉子永磁體充磁方式

1.1氣隙磁場波形及幅值

   平行充磁和徑向充磁在磁瓦生產過程中都很常用。圖1是高速永磁電機轉子2極磁瓦在不同充磁方式下所得的氣隙磁場波形。采用平行充磁時氣隙磁場呈正弦分布,徑向充磁時氣隙磁場接近梯形波。經傅立葉分解,徑向充磁的氣隙磁場基波分量是平行充磁的107.1%,3次、5次和7次諧波分別是基波的22.3%、9.5%和1.4%。徑

向充磁和平行充磁相比,雖然能將基波氣隙磁場提高7.1%,但是氣隙磁場中含有大量諧波分量。

          

(a)徑向充磁氣隙磁場 (b)平行充磁氣隙磁場             (c)氣隙磁場波形對比

圖1  兩極磁瓦在不同充磁方式下的氣隙磁場

1.2對電磁轉矩的影響

圖2給出了2.3 KW、150 000 r/min的2極、6槽、集中繞組結構的高速永磁無刷直流電機采用平行充磁和徑向充磁在不加PWM時的相反電勢和線反電勢、相電流仿真結果。平行充磁的相反電勢和線反電勢均為正弦波型,在相同平均轉矩下,轉矩脈動從徑向充磁的10.6%降低為平行充磁的7.9%。仿真表明,平行充磁有利于減小轉矩脈動。

        

(a)高速無刷直流電機相電壓、線電壓、相電流波形            (b)高速無刷直流電機電磁轉矩

                          圖2高速無刷直流電機充磁方式對比

1.3定子空載鐵耗

   定子鐵耗包括轉子永磁磁場旋轉引起的空載鐵耗和電樞電流引起的附加鐵耗。由于磁路飽和等非線性因素,負載時的定子鐵耗并不是二者的簡單疊加,但在很大程度上受定子空載鐵耗的影響。圖3給出了2.3 kW、150 000 r/min的高速無刷直流電機采用平行充磁和徑向充磁時的空載鐵耗。兩臺電機氣隙磁場的基波分量相同,額定運行時反電勢和電流波波形如圖2(a)所示。由于徑向充磁時含有大量諧波分量,使得每極磁通量和定子鐵心磁密均大于平行充磁,因此在采用徑向充磁時定子空載鐵耗大于平行充磁,如圖3所示。

1.4轉子空載渦流損耗

   轉子渦流損耗在中、低速永磁無刷直流電機中往往是忽略不計的,但是在高速電機中卻是影響效率、甚至造成磁鋼過熱退磁的重要因素。轉子空載渦流損耗是由槽開口引起的,而且隨著氣隙長度的增加而減小。永磁體的充磁方式只影響轉子空載渦流損耗。由于高速永磁無刷直流電機的氣隙較大,轉子空載損耗只占總體渦流損耗的很小部分。采用暫態有限元模型對2.3 kw、150 000 r/min高速無刷直流電機永磁體和碳素纖維保護環中的空載渦流損

耗進行了計算,如圖4所示。結果表明,徑向充磁的率載轉子渦流損耗大于平行充磁。

 圖3    0.05 mm坡莫合金定子平行和徑向充磁方式下空載鐵耗對比

                  

(a)徑向充磁轉子渦流分布       (b)平行充磁轉子渦流分布    c)空載轉子渦流損耗對比                        

圖4平行和徑向充磁方式下空載轉子渦流損耗對比

1.5齒槽轉矩

齒槽轉矩是評價永磁無刷電機性能的重要指標。通常情況下,若氣隙磁場趨向正弦分布,則齒槽轉矩就比較小。這是多極永磁無刷交流伺服電機采用Halbach磁鋼的重要原因。在兩極電機中,若180°磁瓦采用平行充磁,則氣隙磁場就是正弦分布。通過采用平行充磁能有效降低齒槽轉矩。圖5有限元分析結果就證明了這一點。

 圖5  平行和徑向充磁方式下齒槽轉矩的比較

2  結  論

   在不采用PWM斬波的情況下,平行充磁的相反電勢和線反電勢均為正弦波,有利于減小轉矩脈動;與采用徑向充磁相比,表面磁瓦采用平行充磁時可使氣隙磁場更趨近正弦形,有利于減小空載定子鐵耗、齒槽轉矩和轉子渦流損耗,所以對于高速永磁無刷直流電機而言,平行充磁優于徑向充磁。

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