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氣隙磁場波形及磁瓦充磁方式對無刷直流電動機性能的影響

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:1746

摘要:對比研究了梯形(或方波)氣隙磁場與正弦氣隙磁場對無刷直流電動機若干性能的影響,指出在不作PWM電流調制時正弦磁場更適合于無刷直流電動機,并且在使用表面粘貼磁瓦時平行充磁優于徑向(輻射)充磁。

1引言永磁無刷電動機分兩類,即無刷直流電動機和永磁同步電動機,后者在國際上亦稱為無刷交流電機。兩者的電機本體及逆變器在結構上是一致的,但是在特性和控制上又各有特點。永磁同步電動機要求具有正弦形反電勢(本文中無特殊說明時均指相電勢),因此往往把氣隙磁場設計成正弦的,并且所饋人的電流也是正弦的。永磁同步電動機轉矩平穩,控制性能優越,但成本較高。相反地,無刷直流電機成本較低,通常要求有120°梯形波反電勢和120°方波相電流,這樣電磁轉矩是平穩的。為了獲得120°梯形波反電勢,一般要求氣隙磁場是梯形或方波形(與繞組形式有關)。

   電機總的轉矩脈動由電磁轉矩脈動分量、齒槽定位力矩等組成。在實際的無刷直流電動機中,標準的梯形波反電勢很難獲得,電流波形一般遠遠偏離方波,故電磁轉矩脈動很大;梯形或方波分布的氣隙磁場往往造成較大的齒槽定位力矩。所以,實際無刷直流電動機的轉矩脈動很大,控制性能比永磁同步電動機差,往往不作伺服控制用?;谶@樣的理由,在設計無刷直流電動機時追求120°梯形波反電勢就沒有意義;有意義的是在使用相同材料的前提下如何提高有效電磁轉矩(平均轉矩)、降低損耗,并盡可能降低轉矩脈動。

   在實際的無刷直流電動機中,正弦或接近正弦的反電勢比梯形波反電勢更易獲得,所以本文將對比分析正弦形和梯形波反電勢對電機性能的影響。并且,在使用表面粘貼磁鋼的電機中,氣隙磁場與反電勢的波形與幅值均受磁鋼充磁方式的影響,所以本文也將對平行和徑向(也稱輻射)兩種充磁方式作對比研究。

2反電勢波形的影響

   在理想情況下,無刷直流電動機的反電勢為120°梯形波,相電流為120°方波。若反電勢的幅值是Em,電流幅值是Lm,電磁轉矩是Tm則反電勢、電流的基波和諧波分量以及同次諧波產生的有效電磁轉矩分別如表1所示:

表1各次諧波電勢、電流、轉矩表

   表中的負號表示與基波間的180°相位差。由此可見,基波反電勢是產生有效轉矩的決定因素,3次諧波不貢獻有效轉矩,5次和7次諧波產生的有效轉矩很小,且相互反向而基本抵消,更高次諧波對有效轉矩的影響極小。換言之,若氣隙磁場是正弦形且幅值較高、產生的正弦反電勢的幅值達1.216Em,而電流仍然是幅值為Im的方波,則產生的有效電磁轉矩基本不變(1.006 T)。所以,從有效電磁轉矩的角度來看,重要的因素是氣隙磁場及反電勢的基波分量,而其波形并不重要。當然,波形的偏異會引起轉矩脈動。另外需要指出的是,3次、9次等零序分量的反電勢甚至對電機的瞬態電流和轉矩都沒有影響。這是因為電機繞組的中心線并不連接到電源或逆變器上,逆變器為電機提供的是線電壓而不是相電壓,因此影響電機瞬態電流和轉矩的是線電勢而不是相電勢,但是在線電勢中并不存在零序分量的反電勢;換言之,逆變器“看不到”零序分量反電勢。

   無刷直流電動機在不調速時一般不采用PWM,其典型的電流波形中含有明顯的脈動。在調速時可采用兩類PWM:(1)采用電流型PWM時,需實時采樣相電流,并根據采樣電流和方波形參考電流的比較結果來決定逆變器的觸發,所以PWM是始終變化的。在中、低速區電機電流可以調制成120°方波,但是在高速區電流就不再是方波。由于需要電

流傳感器采樣相電流,成本較高,所以這種PWM不常用。(2)采用電壓型:PWM時,僅在逆變器觸發信號上疊加一系列均勻的:PWM脈沖即可,電流波形類似不加PWM時的情況,但包含較多斬波脈沖。這種方法成本低,所以很常用。所以,在實際的無刷直流電動機中,電流一般都不是方波的。圖1給出了某高速電機在不加PWM時典型電流波形的仿真結果。在仿真中,梯形反電勢用基波、3次、5次、…、13次諧波擬合,所得電流和電磁轉矩波形如圖1 a所示,當平均轉矩(等于負載轉矩)為O.18 N·m時,轉矩脈動的峰一峰值相對平均轉矩為36.8%,電機轉速為76 600 r/min。之后刪除反電勢中的3次和9次零序分量,仿真結果完全不變。最后只用基波反電勢進行仿真,結果如圖1b所示,在相同平均轉矩下,轉矩脈動反而降低為28.1%,電機轉速基本不變(76 000 r/min)。仿真表明,梯形反電勢中的諧波分量對平均電磁轉矩并無明顯貢獻,梯形反電勢也并不比正弦形反電勢更有利于減小轉矩脈動。

  

(a)采用梯形反電勢                        (b)采用正弦形反電勢

圖1反電勢波形對無刷直流電機電流與電磁轉矩的影響

3氣隙磁場波形及磁鋼充磁方式的影響

   前已證明正弦形反電勢可以應用在無刷直流電動機中,且引起的電磁轉矩脈動并不比采用120°梯形反電勢的情況大。并且,在實際電機中正弦或接近正弦的反電勢很容易實現,例如,可以將氣隙磁場設計成接近正弦形。在采用表面粘貼磁鋼的電機中,可以通過優化磁鋼的外形來實現預想的氣隙磁場波形,也可以使用很簡單的磁環或等厚度的磁瓦并采用恰當的充磁方式來實現。這里將就磁環或極弧為180°電角度的磁瓦作進一步研究。

3.1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2a是某3 kw、100 kr/min高速電機中2極磁瓦在不同充磁方式下所得的氣隙磁場分布波形。有限元分析時忽略了槽開口的影響。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分布,但是,經傅立葉分解,其基波分量只是前者的91.2%,3次、5次和7次諧波分別是其

基波的16.3%,3.8%和1.0%,可見5次或更高次諧波都很小。圖2b是4極磁瓦在不同充磁方式下所得的氣隙磁場分布波形。5次或更高次諧波都可忽略不計,平行充磁時3次諧波是基波的4.2%,徑向充磁時3次諧波是基波的6.2%。值得一提的是,與徑向充磁相比,平行充磁可將基波氣隙磁場提高26.7%。以上分析表明,平行充磁將使氣隙磁場接近于正弦形分布,并且有利于提高磁場基波分量和有效電磁轉矩。

                

(a)2極磁瓦在不同充磁方式下產生的氣隙磁場     (b)4極磁瓦在不同充磁方式下產生的氣隙磁場

圖2平行和徑向充磁方式下氣隙磁場的比較

3.2.定子開路鐵耗

   定子鐵耗包括轉子磁場旋轉引起的開路鐵耗(有時也稱作空載鐵耗)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開路鐵耗的影響。定子開路鐵耗主要受電機旋轉頻率、鐵芯磁密幅值等影響。平行充磁時氣隙磁密幅值比徑向充磁時較高,但諧波分量較少,所以兩者的

每極磁通量接近(在前述高速電機中前者是后者的1.03倍),因此,定子鐵心磁密也接近;另外,對前述高速電機的有限元分析表明,徑向充磁時鐵芯中的局部飽和相對較明顯。所以,總體而言,定子開路鐵耗在采用平行充磁磁瓦和徑向充磁磁瓦的兩種條件下基本相同,如圖3所示。

    圖3平行和徑向充磁方式下定子開路鐵耗的比較

3.3轉子開路渦流損耗

   轉子渦流損耗在中、低速永磁無刷電動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。轉子渦流損耗由開路損耗和電樞諧波電流引起的附加損耗等組成。開路損耗是槽開口引起氣隙磁導交變進而引起磁鋼內磁場變化而產生的;該損耗只有在轉子旋轉時才出現。另外,在高速電機轉子上往往還采用非導磁的保護套,其材料一般是不銹鋼、鈦合金、環氧固化的碳素纖維等。不銹鋼保護套具有成本低、加工容易、強度高等優點,因此比較常用,但其電導率高,故渦流損耗較大。利用有限元法對前述高速電機磁瓦和不銹鋼保護套中的開路渦流損耗進行分析,結果表明兩種充磁方式下的損耗基本相同,如圖4所示。

 圖4平行和徑向充磁方式下開路轉子渦流損耗的比較

3.4齒槽定位力矩

   齒槽定位力矩是評價永磁無刷電動機性能的重要指標。通常情況下,若氣隙磁場趨向正弦分布,則齒槽定位力矩就比較小。這是多極永磁無刷交流伺服電動機中采用Hslbach磁鋼的重要原因。在2極電機中,若180°磁瓦作平行充磁,則氣隙磁場就是正弦分布,可以有效降低齒槽定位力矩。圖5的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定位力矩的比較

4結  論

   無刷直流電動機通常要求具有120°梯形波反電勢,這樣在120°方波電流作用下可以產生平穩電磁轉矩。但是,在實際的無刷直流電動機中相電流往往不是方波形的,因此電磁轉矩并不平穩;并且齒槽定位力矩等也會造成轉矩脈動。所以本文對反電勢和氣隙磁場波形以及磁瓦充磁方式對電機性能的影響作了深入研究,表明:

   (1)120°梯形波反電勢中基波分量是貢獻有效電磁轉矩的主要因素,其諧波分量的影響很??;在不采用PWM的情況下,梯形反電勢也并不比正弦形反電勢更有利于減小轉矩脈動,所以在無刷直流電動機中完全可以采用正弦形反電勢;

   (2)表面磁瓦采用平行充磁時,與采用徑向充磁相比,可使氣隙磁場和反電勢更趨近正弦形、基波反電勢和有效電磁轉矩更高、齒槽定位力矩明顯降低,而開路定子鐵耗和轉子渦流損耗受充磁方式的影響很小,所以平行充磁優于徑向充磁。

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