北京永光高特微電機有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新聞詳情

星形聯結三槽永磁直流電動機電樞反應的分析

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:3458


   摘要:對星形聯接三槽永磁直流電機電樞反應進行了分析,指出其電樞反應規律不同于三角形聯結的電機,在正轉和反轉時電樞反應的性質不同,導致電機輸出轉矩不同。計及了電流換向和齒槽效應引起的波動,采用有限元法計算了星形聯結電機的電磁轉矩,證明了分析的正確性。

1引言

   三槽永磁直流電動機由于工藝結構簡單性能良好而得到廣泛的應用,如盒式錄音機、剃須刀以及玩具中的電動機,幾乎都是三槽永磁直流電動機,可以說它是量大面廣的一種永磁直流微電機,準確分析三槽永磁直流電動機性能具有重要的意義。在這種電機中,線圈聯結方式有三角形和星形兩種。三角形聯結方式是線圈首尾相接,三角形的頂點分別與三個換向片相連,并通過電刷與電源相連。星形聯接時,三個引出線分別接到換向片上,而另外三個引出線相互聯接形成星形的中點,如圖1所

  

(a)三角形聯結          (b)星形聯結

圖1  三槽永磁直流電動機結構示意圖

   目前,對三槽永磁直流電動機電樞反應分析均以三角形聯結為模型,經過分析得出,其電樞磁勢在交軸左右擺動,擺動的角度就是相鄰二次換向時轉子轉過的角度,其平均方向為交軸。本文對星形聯結三槽電機的電樞反應進行了研究,發現星形聯結的電機不同于三角形聯結,在正轉和反轉時電樞反應的性質不同,會導致電機在不同轉向時的輸出轉矩不同。

2電樞反應分析

   分析星形聯結三槽電機的電樞反應時,采用和三角形聯結電機時相同的假設,認為換向時間很短,可以忽略。設圖1b所示的轉子位置為起始位置,轉子位置角θ=0。設磁極極性上面為N極,下面為S極,N極下的電刷為電刷1,S極下的電刷為電刷2,電樞電流為Ia,每一線圈的匝數為N。設1號線圈的的引出線接在換向片1上,依此類推。三角形聯結的電機中,除了換向瞬間外,都有兩條并聯支路,一條支路中有一個線圈,另一條支路中有兩個線圈串聯。在星形聯結的電機中,除換向瞬間外,三個繞組中只有兩個繞組有電流,為反向串聯,另外一個繞組懸空。通過分析發現由于聯結方式不同,使得電流的分布、變化規律以及電機在不同轉向下的電樞反應性質不同,從而影響電機的電磁轉矩。

2 1星形聯結的三槽電機逆時針旋轉時的電樞反應  

圖2  星形聯結三槽永磁直流電機在逆時針旋轉時的電樞反應

如圖2所示,電機的轉向為逆時針時,初始位置時電流的方向如圖2a所示,電刷l與換向片1接觸,電刷2與

換向片3接觸,線圈l和線圈3串聯,線圈中的電流等于電樞電流,線圈2懸空,電流為0,合成磁勢Fa的大小為

 ,合成磁勢的軸線偏離q軸30°。隨著轉子的轉動,合成磁勢隨之變化,轉子轉過30°,到達圖2b的位置,Fa也轉過30°,到q軸位置。轉子再轉過一點后,如圖2c所示,電刷l與換向片2接觸,電刷2與換向片3接觸,則線圈2和線圈3串聯,線圈l懸空,合成磁勢方向的軸線偏離q軸60°。圖2d中,轉子轉過30°,合成磁勢也轉過30°,到達偏離q軸30°的位置,回到了圖2a的位置。

   從上面分析可見,合成磁勢的軸線在偏離q軸30°的方向擺動,擺動角度為60°,平均方向在偏離q軸30°處。

在圖中所示電機永磁磁極極性和電刷極性時,電機轉矩方向為逆時針方向,電樞磁勢的交軸分量在西2NI。一再NIa之間變化,而直軸磁勢為去磁磁勢,大小在0~3/2NIa之間變化。平均磁勢是去磁,其位置不在交軸。

2.2星形聯結的三槽電機順時針旋轉時的電樞反應

   當電機的轉向為順時針方向,轉子在圖3a中的位置時,電流的方向為圖中所示,電刷l與換向片l接觸,電刷2與換向片3接觸,合成磁勢方向與圖3a中的相反。電機順時針轉動,轉過30°,合成磁勢也順時針轉過30°即偏離q軸60°,到達圖3b位置。轉子再轉過一點,到達圖3c的位置,電刷1與換向片1接觸,電刷2與換向片2接觸,線圈l和線圈2串聯導通,線圈3懸空,合成磁勢改變方向,轉到q軸;轉子繼續旋轉,合成磁勢隨之變化,轉

子轉過30°,合成磁勢也順時針轉過30°,到達圖3d所示位置。

 圖3星形聯結三槽永磁直流電機在順時針旋轉時的電樞反應

   從上面可以看到,電刷改變極性,電樞磁勢也發生變化,電樞磁勢的交軸分量在q軸的反方向上,大小在 2NIa~ 間變化,電樞磁勢的直軸分量為助磁磁勢,變化范圍為0~3/2NIa。平均磁勢的性質為助磁,其位置不在交軸上。

   可以得出:星形聯結的三槽電機,其電樞反應磁勢平均值在并不在q軸上,而是與轉向有關。

2 .3對電磁轉矩的影響

   由于電磁轉矩是主極直軸磁場和電樞交軸磁場相互作用而產生的,在直流電機中,電磁轉矩正比于主極直軸磁勢與電樞交軸電樞磁勢的乘積。對于前面圖中的星形聯結的三槽電機,在逆時針旋轉時,電樞磁勢的直軸分量為去磁磁勢,主極的直軸磁場被削弱,順時針旋轉時直軸分量為助磁磁勢,主極的直軸磁場被增強。所以順時針旋轉時電機的電磁轉矩要大于逆時針旋轉的電磁轉矩。

   綜上所述,對于星形聯結的三槽電機,改變電刷極性,一方面會改變電樞磁勢交軸分量的方向,從而改變電磁轉矩的方向;另一方面會改變直軸電樞反應的性質,影響直軸合成磁場的大小,從而改變電磁轉矩的大小。而對于三角形聯結的三槽電機,由于電樞磁勢的直軸分量在一個換向周期內助磁和去磁交替變化,當改變電刷極性,改變轉向時電樞磁勢的直軸分量仍然會保持這個特點,所以改變轉向時不會影響轉矩的大小。三角形聯結電機和星形聯結電機的繞組接線方式不同,導致換向時兩種電機中繞組電流的變化規律不同,影響了電樞磁勢的變化規律。通過下面的有限元數值計算,可以證明對星形聯結三槽電機電樞反應的定性分析是正確的。

3計算實例

   根據上面導出的計及換向時電流的變化規律,用有限元方法計算星形聯結三槽永磁電機的電磁轉矩。

   樣機數據為機殼外徑40mm,機殼內徑37mm,永磁厚度5mm,永磁磁極張角17°,轉子外徑26mm,轉子內徑

2.5mm,齒寬4mm,電樞軸向長度16 mm。

   計算方法如下:給定電樞電流,讓轉子以一定的步長轉動,根據轉子的位置,確定各線圈的電流分布.讓轉子

旋轉60°,在不同的轉子位置計算電機的轉矩,可以得到轉矩隨轉子位置的變化規律,對轉矩求平均值,就是在這

個電樞電流下的平均轉矩。給定不同的電樞電流進行計算,可以得到電磁轉矩隨電樞電流的變化規律。

   在計算中根據換向片的實際寬度來計算繞組電流的變化。換向期間繞組電流根據直線換向來計算。在不同轉子位置下進行磁場計算時,采用了運動邊界法處理轉子的運動,避免了在轉子位置不同而進行重復剖分。

   圖4a、4b為在θ=0時電機逆、順時針旋轉時的磁力線分布。從圖中可以看出,在不同轉向下所通電樞電流方向不同,產生的交軸磁勢的方向相反,因而主極磁場扭斜的方向也不同。

   圖4三槽永磁電機在兩種轉向下初始位置時磁場分布

   圖5a、5b為電機順、逆時針旋轉時不同電樞電流下電磁轉矩隨轉子位置的變化規律。隨著轉子位置的變化,電磁轉矩是波動的。引起波動的原因有兩個,由于齒槽效應引起轉矩波動和換向引起電流變化從而引起轉矩波動。

圖6為電機在兩種轉向時電磁轉矩隨電流的變化規律。從圖中可以看出,兩個轉向下的平均電磁轉矩是不同的。相同的電樞電流下,順時針時轉矩要大些,這一結果與前面對星形聯結的電樞反應得到的分析結論是一致的。證明了前面的分析是正確的。明確了星形聯結三槽電機的這個特點,對電機的設計和應用有指導意義。

4結論

本文對三槽永磁直流電動機的電樞反應進行了深入分析,發現星形聯結的三槽電機不同于三角形聯結,其電樞反應磁勢的平均方向不是在交軸,而是不同轉向時的電樞反應性質不同,導致在不同轉向時輸出轉矩不同。通過有限元數值計算,考慮線圈換向時電流的變化和轉,子運動,得到了電磁轉矩變化規律,計算結果證明了對于星形聯結三槽電機的電樞反應的分析是正確的。

      

(a)轉子位置角度(順時針)                    (b)轉子位置角度(逆時針)

               圖5  電磁轉矩隨轉子位置的變化

 圖6兩種轉向的平均電磁轉矩隨電流的變化

聯系方式
 
 
 工作時間
周一至周五 :8:00-17:00
 聯系方式
于海騰:010-83971821
姜宇:010-83510840
周圍:010-61402950