北京永光高特微電機有限公司
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盤式永磁無刷電動機設計中的一些問題

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:2515

   摘要:介紹了盤式永磁無刷電動機的原理和結構,探討了其設計特點,解決了磁路分析計算和電機主要尺寸確定以及磁極形狀選擇的問題。    

1引  言

   盤式永磁電機的氣隙是平面型的,氣隙磁場是軸向的,因此又被稱為軸向磁場電機(AFM)。1821年法拉第發明的世界上第一臺電機就是軸向磁場盤式永磁電機。與普通的圓柱式徑向磁場電機(RFM)相比,盤式電機具有較高的功率重量比,在一些要求薄型安裝場合更有優勢。盤式永磁無刷電動機具有結構簡單、運行可靠、控制靈活、換向性能好、效率高等諸多優點,在汽車、儀表、電動工具、電動車輛驅動、醫療儀器、辦公室電器等領域中有著廣泛應用。

2基本結構和原理

  圖1電機結構示意圖

   永磁無刷電動機按其基本結構而言,可以認為是由永磁式同步電動機、電子開關線路以及位置傳感器三者組成的電動機系統。盤式無刷電動機利用位置傳感器來檢測轉子的位置,檢測出的信號去觸發相應的電子換向線路以實現無接觸式換流。電機本體的結構示意圖如圖1所示。電樞繞組無槽結構,線圈成幅射狀直接繞制在定子鐵心上,如圖2所示。轉子由高性能的釹鐵硼永磁材料與鋼板粘結而成,磁鋼在磁軛上按照N,S極依次排列,如圖3所示。

 圖2  電樞繞組和定子鐵心    圖3  永磁體排列方式

3基本設計特點

3.1空載工作點

   軸向磁場永磁無刷電動機采用無槽結構導致氣隙較大,磁路不飽和,磁軛中的磁動勢降落可以忽略不計,同時電樞反應較弱,亦可以忽略。盤式電機的形式多種多樣,無槽電樞結構只是其中一種,以下的推導過程和給出的計算公式僅適用于采用這種結構的盤式永磁無刷電動機。

在永磁材料的回復曲線近似線形表示為Bm=-μrμoHm+Br氣隙磁通密度Bδ和永磁體工作點Bm可相應給出:

  (1)             (2)

式中:Br一永磁體剩磁密度;

    μr一相對回復磁導率;

    hm一永磁體厚度;

    δ一氣隙總長度;

    σ一漏磁系數,為總磁通與氣隙主磁通之比,

   

 KF一氣隙磁密分布系數,定義為氣隙磁密沿圓周分布曲線所對應的幅值隨半徑變化曲線的平均值與最大值的比率,一般在0.85~O.98之間。

3.2基本電磁關系

   圖4電動勢分析計算示意圖

   盤式永磁無刷電動機的電樞繞組是分布的,有效導體位于永磁體前方的平面上,并在極坐標平面內呈均勻分布??紤]單根導體,在該平面上的位置可用半徑r和輻角θ來描述,如圖4所示。前面分析氣隙磁通密度Bδ和永磁體工作點Bm時引人了氣隙磁密分布系數,故可用平均半徑處的氣隙磁密來代替實際的氣隙磁密而保持每極磁不變。如電機的機械角速度為ω,平均半徑處的氣隙磁密表示為Bδ(θ),則在(r,θ)處的導體微元dr所產生的電動勢為:

   de=ωBδ(θ)rdr    (4)

由此可以推導得到任一導體中電動勢的平均值Ec和每極氣隙磁通φ分別為

 (5)      (6)

式中:Bδav一一個極距下的氣隙磁密平均值,

     Bδav=αiβδ;

     Bδ一氣隙磁密;

αi一計算極弧系數;

     Dmo、Dmi一磁極的外徑和內徑。

   設每相繞組串聯總匝數為Ⅳ,則電樞相反電動勢為Eφ=2NEc    (7)

盤式永磁無刷電動機相對于圓柱式電機而言,只.是結構改變,基本的電磁關系并未改變。同樣亦可推導出電磁轉矩公式也與圓柱式電機一致。設相數為m,相電流為Iφ,則盤式永磁無刷電動機的電磁功率為

 (8)

式中:n一電機轉速;

   Amax一電負荷最大值,取值在Dmi處。

3.3主要尺寸

與圓柱式電機類似,盤式永磁電動機的主要尺寸計算公式:   (9)

由此可得盤式永磁無刷電動機單位體積的功率:

  (10)

  式中:Dav一電樞的平均直徑,Dav=(Dmo+Dmi)/2;

   Lef一電樞繞組導體的有效長度,

   Lef=(Dmo一Dmi)/2;

   ∑h一電機軸向總長度;

   Aav一平均直徑處的電負荷。

 由式(10)可知,盤式永磁無刷電動機單位體積的致率與電樞平均直徑成正比,與總軸向長度成反比,這點與圓柱式電機不同。

   盤式永磁電動機磁極外徑和內徑之比γ=Dmo/Dmi,近似等于電樞外徑和內徑之比,稱為電樞直徑比,是盤式永磁電動機初始設計時最重要的幾何尺寸比。將式(8)對功率求極值,可得

   γ=Dmo/Dmi=  (11)

當磁極外徑Dmo和最大線負荷一定時,盤式永磁無刷電動機的電樞直徑比為歷時可獲得最大輸出功率。實際設計時,直徑比的選擇還要綜合考慮用銅量、效率、漏磁等因素,對于小型機一般取1.6左右。

   磁極的內外徑確定后,關鍵的問題是如何選擇磁極的厚度?;驹瓌t是使永磁體的磁能積HB達到最大,以最充分利用永磁材料。分析可知,hm≈δ時永磁體得到最經濟的利用,但這時Bδ≈Br/2,對于剩磁感應強度不高的永磁材料,并不利于電機設計。所以為了提高氣隙磁密,對于釹鐵硼永磁體,取Hm=(1~2)δ為宜。

4磁極及電樞繞組設計

4.1極數和極弧系數

   當磁體間距和極距呈比例時,采用較少的極數使極間距離增加,漏磁減少。但對于一定的電樞導體數,極數少的電動機端接部分較長,導致用銅量增加,從而電樞繞組銅耗增加,效率降低。所以盤式永磁無刷電動機盡管漏磁很大,但為了有較高的效率,仍采用較多的極數,這同時也能夠使電樞繞組電感減小,有利于利用電子器件換向。綜合考慮以上因素,設計中一般選為6~14極。

   減小極弧系數有利于減少漏磁,但會引起每極磁通量降低,永磁材料的利用率變差,而磁通的降低又會導致匝數加大和氣隙增大,故一般選取O.8為宜。

4.2磁極形狀

   采用價格低廉的鐵氧體永磁材料時,可以考慮上接第19頁)采用環形磁極。采用高性能永磁材料如釹鐵硼時,磁極一般采用圓柱形或扇形結構。圓柱形磁極加工方便,但空間利用率低;扇形磁極制造時容易保證質量,裝配時調整余地也大,而且可以充分利用空間,獲得較大的每極磁通量。扇形磁極有兩種結構,一種磁極電角度α沿徑向不變,如圖5a所示,另一種電角度沿徑向是變化的,如圖5b所示。兩者對氣隙磁密幅值Bδ和平均氣隙磁密Bδav的影響差別不大,在半徑大于平均半徑的區域,圖5b形狀磁極的氣隙磁密大于圖5a形狀的磁極。因為在一定轉速下半徑大的線速度快,導線的感應電勢就大,氣隙磁通利用率也好,所以圖5b形狀的磁極較圖5a形狀的有利。

         圖5磁極彤狀

4.3電樞繞組及電子開關電路設計

   電樞繞組如圖2所示,每個線圈按照矩形直接繞在定子鐵心上,與常規的印制繞組相比,機械強度更大,繞組利用率更高。電子開關主回路采用三相犀形聯接全控電路。

5結  語

   盤式永磁無刷電動機因為沒有電刷與換向器,消除了火花的產生,噪聲也大大減少,在直流電動機不能勝任的場合,是一個理想的選擇。電樞無槽的結構,更從原理上去除了轉矩的鋸齒效應,在正弦電.流供電時轉矩平滑無脈動。由于主磁路磁阻大,磁鋼用量大,在電機成本中所占的比例高。設計時應盡量提高永磁材料的利用率,在磁極設計時應注意以下幾個方面:(1)磁極內外徑比例適當;(2)極數不能太??;(3)極弧系數適當大些;(4)磁極采用扇形結構。

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