永磁无刷直流电机电枢反应综述与分析_谭建成

中图分类号:T M 36+1 文献标志码:A 文章编号:1001-6848(2009)11-0052-08永磁无刷直流电机电枢反应综述与分析谭建成(中国电器科学研究院,广州　510300)摘　要:就电枢反应对永磁无刷直流电动机性能的影响进行归纳和分析,指出一些值得商榷的地方,如采用基于电枢反应磁势分布图方法分析电枢反应对气隙磁场的影响,与将基于电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的传统分析方法相比,可得到更直观的理解和更准确的认识。

电枢反应影响程度大小的关键是转子磁路结构。

最后讨论了分数槽集中绕组无刷电机电枢反应的特殊问题。

关键词:无刷直流电动机;电枢反应;去磁效应;磁势谐波;转子涡流损耗S u mm a r y a n dA n a l y s i s o n t h e A r m a t u r e R e a c t i o n o fP e r m a n e n t Ma g n e t B r u s h l e s s D Cm o t o rT A NJ i a n -c h e n g(C h i n a E l e c t r i c a l A p p a r a t u s R e s e a r c h I n s t i t u t e ,G u a n g z h o u 510300,C h i n a )A b s t r a c t :S u m m a r i z e d a n d a n a l y s e d o n t h e a r m a t u r e r e a c t i o n o f t h e p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s D C m o -t o r ,a n d d i s c u s e d s o m e q u e s t i o n s a b o u t a r m a t u r e r e a c f i o n o f P e r m a r e n t m a g n e t b r u s h l e s s D Cm o t o r .K e y Wo r d s :B r u s h l e s s D Cm o t o r ;A r m a t u r e r e a c t i o n ;M M Fh a r m o n i c ;D e m a g n e t i z i n g e f f e c t ;E d d y -c u r r e n t l o s s 收稿日期:2009-09-290　引　言永磁电机气隙磁场是由永磁磁势和电枢绕组磁势共同作用产生的。

电机负载运行时电枢电流产生的磁势对气隙磁场的影响称为电枢反应。

对有刷直流电机,其电枢反应磁场与主磁极磁场是正交的。

电枢磁场使主磁极磁场发生歪扭。

电动机状态时的电机极前端磁场加强,极后端磁场消弱,并且消弱和加强的磁动势基本相等。

由于磁路饱和的影响,结果使主磁极总磁通有所消弱,并且负载越大,磁路越饱和,去磁作用越明显。

电枢反应不仅对主磁极磁场有去磁作用,还引起主磁极磁通歪扭,使磁极物理中性面处磁场不再为零,给换向带来不利因素。

而对永磁无刷直流电动机,毕竟其运行机理和结构不同,其电枢反应除与磁路结构及饱和程度有关外,还与电枢绕组形式、导通方式和状态角的大小等因素有关。

而且,如下面分析可以看到,在一个状态角不同时刻电枢反应磁场和永磁磁场空间相对关系不是固定的,也和有刷直流电动机情况不同,所以无刷直流电动机的电枢反应同有刷直流电动机的有区别。

无刷直流电动机磁路设计时,如果还按有刷直流电动机那样考虑电枢反应来确定永磁体负载工作点,将会引起较大误差。

有相当数量的文献就永磁无刷直流电动机的电枢反应对气隙磁通、感应电势、电磁转矩波动和正常换相的影响进行了研究。

本文对此进行归纳和分析,并指出一些值得商榷的地方。

1　电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的分析方法不少文献采用将电枢反应磁势分解为直轴分量和交轴分量的传统方法分析无刷直流电动机电枢反应的影响。

为分析方便,先观察采用星形接法、整数槽绕组、三相六状态换相方式的两极内转子结构电机,如图1所示。

这种接法的特点是每一工作周期有6个状态,每个状态占60°电角度。

当电机转子逆时针方向旋转时,图1分别为一个状态的初始点、中间点和最终点时刻永磁转子的位置和电枢反应磁势的分解图。

图中,F r 表示永磁磁势;每一状态有两相绕组串联导通(这里是A 相和B 相导通),电流I 产生的电枢反应磁势以F a 表·52·示。

将其分解为F a d和F a q,分别为相对于永磁磁势F r的直轴和交轴分量。

当电枢反应磁势波形为矩形波或阶梯波时,一个极下的电枢反应磁势幅值可表示为:F a=2W I/2p=W I/p;如果只考虑基波,则有: F a=0.866W I/p。

式中,W为每相定子绕组串联匝数;I为绕组电流;p为电机极对数。

可以发现,一个状态角内,在前半个状态,直轴电枢反应磁势F a d对永磁磁势作用是去磁的,而在后半个状态,直轴电枢反应磁势F a d对永磁磁势作用是增磁的。

显然,在初始点和最终点时刻,直轴电枢反应磁势到达最大值,即:F a d m a x=F a c o s60°=0.5F a(1)交轴电枢磁势F a q对主磁场的作用是使气隙磁场波形发生畸变。

图1　一个状态下三个时刻永磁转子的位置和电枢反应磁势分解图 2　基于直轴和交轴分量分析方法传统观点认为,电枢反应引起平均气隙磁密下降的主要原因是一个状态角范围内、因磁路局部饱和、直轴电枢反应磁势作用使后半个状态增磁未能抵偿前半个状态去磁的缘故。

就平均效应来看,即使磁路有饱和,电枢反应对电机气隙磁场只有微弱的去磁作用,影响不大;电磁设计时负载工作点磁通可用空载工作点磁通代替。

文献[2]认为,电枢反应对电机的影响可归纳为:电枢反应对转子磁场先去磁而后增磁,使电机的每极总磁通在空载时的每极总磁通附近变化。

电枢反应使反电势和电磁转矩发生变化,但对反电势及电磁转矩平均值影响不大,从而得到电磁设计时把空载工作点的磁通近似看作负载工作点的磁通的结论。

文献[3]指出,永磁无刷直流电动机电枢磁势在电枢圆周内是步进跳跃式旋转的。

在一个状态角范围内,电枢磁势在刚开始为最大去磁,然后逐渐减小,在状态角中间位置时不去磁也不增磁,后半个状态角逐渐增磁并达到最大值。

可见电枢反应的直轴分量时而增磁,时而去磁,使气隙每极的合成磁通发生变化,但对总的平均磁通改变不明显;通过静态磁场的计算,证明了电枢反应对气隙磁密和电磁转矩的影响较小,在工程计算允许误差范围以内,可忽略不计。

交轴电枢磁势对主磁场的作用使气隙磁场波形畸变。

对于径向激磁方式,由于稀土永磁体本身的磁阻很大,故交轴电枢磁势引起气隙磁场畸变较小,通常可不考虑,即使交轴电枢反应存在,只要磁路不饱和,交轴电枢反应使磁场波形的畸变不影响总磁通的平均值。

文献[6]用磁势矢量合成法和磁势积分法对电动自行车用三相六状态、2极、6槽外转子无刷直流电动机的气隙磁场及电枢反应进行了定性分析,还用电磁场有限元分析方法对其进行定量分析,在计算中计及了电机电枢的齿槽影响。

表l为一个状态角范围内三个典型位置下的气隙空载磁密和负载磁密计算结果,比较了空载磁密和负载磁密的差值。

由表1看出,该无刷直流电动机因每极每相槽数较少(q=1),使得电机齿槽对气隙磁密有较大的影响。

样机的计算结果表明,即便是在空载,三个位置气隙平均磁密的最大值与最小值也相差5%,b位置的磁密有所降低。

负载气隙磁密与空载气隙磁密相比,a位置的去磁作用要强于c位置的助磁作用。

这是由于电机的饱和所引起。

总平均来说,负载气隙磁密与空载气隙磁密相比只降低2.6%。

可见,在电机的一个状态角范围内,电枢反应由去磁变为助磁;就平均效应来看,电枢反应对气隙磁场只有微弱的去磁作用。

这一作用在工程上可以忽略不计。

表1　三个典型位置的空载磁密及负载磁密平均值单位:T位置a位置b位置c三个位置平均空载磁密0.7030.6550.7030.687负载磁密0.6460.6300.7310.669差值0.0570.025-0.0280.0183　对于大功率电机,特别是采用嵌入式转子结构时,电枢反应的影响使气隙磁场、反电势和电磁转矩波形畸变,电机性能恶化,转矩波动加剧。

文献[7]认为,在小功率永磁电机的设计中,由于电枢电流和电枢反应磁势较小,且转子直径·53·小,离心力不大,永磁磁钢常采用表面安装形式,对交直轴电枢反应磁势的磁阻均较大,电枢反应磁势的影响不明显;然而当电机功率较大时,一方面由于定子电流的增大使电枢反应磁势增强,另一方面,转子直径大,离心力增大,磁钢安装形式不宜再采用表面安装,而多采用嵌入式安装。

电枢反应磁势的磁路发生了变化,电枢反应必须加以考虑。

如电动汽车驱动用永磁无刷电机,功率一般达到几十千瓦以上,且为了尽量提高功率密度,额定转速要达到3O00r/m i n或更高才能满足系统要求,因此气隙磁场一般设计得较弱,而在起动、爬坡时为了获得低速大扭矩,主要靠加大定子电流来实现,这样电枢反应磁势的影响就变得非常明显。

与表面安装式磁钢转子的情况不同,嵌入式转子永磁无刷电机交轴电枢反应磁势的磁路不必通过永磁片,而直接经过由软磁材料形成的低磁阻磁路,因此其影响就很明显。

在一个状态中,直轴电枢反应磁势经历了由最大去磁到最大增磁的过程,气隙磁场平均值变化不大,但交轴电枢反应使气隙磁场波形产生明显的畸变。

例如,文献[1]对一台50k W、多相4极内嵌式切向磁化转子的无刷电机试验分析,实测负载时气隙磁密分布呈前高后低,气隙磁场最大畸变达19%,而在一个状态内、一个极下磁通量的相对变化率只有3.09%。

可见,电枢反应使得极下磁通量减少不大,但气隙磁场波的畸变会使转矩波动加剧,尤其是在低速大扭矩的时侯。

4　基于电枢反应磁势分布图的电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法在一个状态角内任意时刻,由于电枢反应,转子磁极都存在前部增磁和后部去磁,合成气隙磁密分布呈现前高后低的不对称波形,其过零点有所前移。

上述电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量的传统分析方法是一种基于矢量图的理论,其前提是这些磁势和磁场量均为正弦量。

显然这和无刷电机的实际情况有区别。

为此,笔者提议基于电枢反应磁势分布图(如图2所示)采用电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法,使电枢反应对气隙磁场的影响得以直观地理解,并得到有别于直轴和交轴分量传统分析方法的认识和结果。

图2实际上是图1的展开。

图中第一行表示在A相和B相两相通电时绕组通电相带分布,第二行表示电枢反应磁势F a和相应的电枢反应磁密B a 分布波形,以下的(a)、(b)、(c)三行和图1一样,分别表示在该状态角内的初始点、中间点和最终点时刻永磁转子的位置和电枢反应引起的气隙磁密分布情况。