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無刷直流電動機整機充磁中若干問題的討論

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:472

   摘  要:討論了在切向充磁的無刷直流電動機上進行永磁體二次充磁的若干問題。在此基礎上建立了計算模型并給出二次充磁的原理。分析了使用軟件計算模型時的幾個基礎問題,并用相關結論進行計算,通過對計算結果及誤差分析證明二次充磁來提高永磁體的磁化程度是可行的。

1引  言

   在無刷直流電動機的整機充磁中,由于磁場強度并不是均勻分布的,因此存在著待充磁的永磁材料是否所有部分都達到了飽和狀態這樣一個問題。對于矯頑力比較高的永磁材料,往往需要進行多次充磁,才能保證所需要的充磁結果。作者利用有限元法(商業應用軟件Ansoft)對切向充磁無刷直流電動機進行了分析。本文對分析過程中遇到的一些問題進行了探討。

2整機充磁無刷直流電動機的模型

   在無刷直流電動機的整機充磁過程中,采用定子一相繞組作為充磁線圈,如圖l所示(充磁電流方向如圖中所示),計算所得永磁體對稱線ab上的磁場強度與位置的關系如圖2所示。從圖中可以看到,由于永磁材料的上部距離充磁線圈更近,使得該部分的飽和程度要比其他部分高,隨著位置越來越遠,永磁體的飽和程度也越來越低。

                

圖l  整機充磁的電機結構                圖2磁場強度隨位置變化曲線

   在進行一次充磁前,由于永磁體此時并沒有被磁化,也就是說一次充磁時除了勵磁線圈之外,磁路中不再含有其他磁源,全部都當作導磁材料來看待,這樣磁路磁勢平衡方程可以寫成Ncic=∑Hili

式中:Nc一勵磁線圈匝數;

      ic一勵磁線圈電流;

      Hi一磁路各導磁材料的磁場強度;

      Li一磁路各導磁材料的長度。

   如前所述,永磁體進行第一次充磁,并沒有將其所有部分都充到完全飽和的狀態。因此為了得到更好的磁性能,需要對其進行多次充磁。實踐證明,在調整好勵磁電流的情況下,一般只需進行兩次充磁即可以達到所需的充磁效果。

   二次充磁時,由于永磁體已被部分磁化,因此磁路中不再只是勵磁線圈一個磁源了,未被徹底飽和磁化的永磁體也要充當磁源。這樣磁路磁勢平衡方程式就變成:Ncic一HMLM=∑Hili

式中:Nc一勵磁線圈匝數;

      ic一勵磁線圈電流;

     HM一永磁體內部的磁場強度;

     LM一永磁體的長度;

     Hi一磁路中其他導磁材料內的磁場強度;

     Li一磁路中其他導磁材料長度。

   由于整塊永磁體各部分飽和程度不同,為了更方便準確地分析永磁體在二次充磁時的飽和度,我們將整塊永磁體人為地假定成幾部分,并分別對各部分的剩磁及矯頑力重新賦值,即把原來的整塊永磁體當作緊密疊加在一起的多個具有不同磁特性的

永磁體(如圖3所示,本例中分為PM1~5共五部

分),再利用軟件對其進行二次充磁的模擬分析。

   圖3二次充磁時的分別賦值的永磁體分塊示意圖

   在進行二次充磁時,由于永磁體不再作為導磁性物質,而作為永磁體了,因此計算時磁場方向的確定有待商榷。

3模型分析前的軟件操作準備

在確定方向之前,在Ansoft中建立模型進行了如下測試:在橫截面為圓形的導體上通以大小為一1000 A的電流,得到沿其垂直中心線00′(圖4)自上而下磁感應強度B,如圖5所示。

           

圖4  圓導線通電         圖5沿00′線的上的磁場分布

從圖5可以看出,沿圖4中虛線00上的磁感應強度以圓心為界,上正下負,又因軟件中定義的正方向為水平向右,因此00′上的磁感應強度實際方向如圖4中的箭頭所示。由右手定則可知,此時的電流為流人,得結論一:負電流為流入(圖中一1000 A所指)。

                      

圖6永磁體場強方向      圖7繞組內無電流時沿永磁體中心線ab上的磁感應強度

下面借用圖1所示的模型進行試驗性計算:采用圖3中的已被分塊賦值的永磁體作為模型中的四塊永磁體,充當勵磁源,繞組內沒有賦任何電流時(即繞組內電流為零),賦0°磁化方向(如圖6所示)給永磁體1中的所有塊,得其中線ab上磁感應強度如圖7所示(永磁體總長16mm)。而磁場強度分布曲線則如圖8所示。

圖8繞組內無電流時沿永磁體中心線ab上的場強分布

   由圖7、8可知,在中線ab上的磁感應強度B為正值,磁場強度日為負值,即永磁體本身的B一H方向是相反的。這同平常所說的,永磁體工作在第二象限內的退磁曲線上的理論是一致的。聯系圖6,可得結論二:永磁體的磁化方向與所產生的B方向相同,與H方向相反。

由以上分析,可知在已知第一次為負電流充磁的情況下,磁力線應該如圖9所示,且此時永磁體中的B值為負。因此在二次充磁時,由于事先已假設永磁體部分充磁,故將其作為磁源來處理,此時應用結論二,可得結論三:應賦給永磁體與所產生的B方向相同的磁化方向,即水平向左(180°)的方向。

 圖9正電流充磁時的磁力線方向

4整機充磁電機模型的有限元分析

   在進行了以上分析之后,再回過頭來對圖1所示的電機模型進行充磁的有限元分析。

   (1)一次充磁通電流I= —1×106 A,其方向如圖9所示,由分析可知,永磁體中線ab上自上而下的磁感應強度日應皆為負值。軟件計算后,得到B值如圖10中實線所示,這與分析結果是一致的。

    圖10一、二次同向充磁得到的磁感應強度曲線圖

(2)二次充磁  設電流產生的磁感應強度為Bi,永磁體自身的磁感應強度為Bm,則此時的Bm應指向左。為便于分析,分別在繞組中通以與第一次充磁電流同向及反向的二次充磁電流進行兩次計算(如圖11、12所示),并對計算結果進行比較。

                    

圖11  二次同向充磁示意圖           圖12二次反向充磁示意圖

(a)二次同向充磁(I= 一1×10A)

 由分析可知,二次同向充磁時得到的磁感應強度應為Bi與Bm二者疊加的效果。再由它們是同向,因此磁感應強度JE}應在一次充磁的基礎上負方向增大。軟件計算后,得到圖10中虛線所示曲線。與分析是相一致的。

 (b)二次反向充磁(I=1×10A)

 同樣由分析可知,由于得到的磁感應強度Bi與Bm二者的方向是相反的。因此在疊加過程中會抵消掉一部分。再者,因為激磁電流產生的Bm值將遠遠大于Bm,且此時的Bi為正值,故疊加后沿ab線上的磁感應強度將為正值。但其幅值,即絕對值卻小于1Bi I。軟件計算得到的曲線圖也證實了這一點,如圖13、14所示。

                      

圖13二次反向充磁的得到的磁感應強度曲線   圖14一次正向及二次正反向充磁所得的磁感應強度絕對值比較

 (3)在充磁過程中,線圈電流產生的磁場強度H如圖15所示,其中實線為第一次充磁時場強曲線,虛線為同向充磁電流下,二次充磁時的場強曲線。

 圖15  充磁電流產生的磁場強度H沿ab變化曲線圖

5結果分析

(1)從圖14、15中可以看出,在第二次充磁時I永磁體內的磁場強度和磁感應強度都發生了一定的變化,二次充磁對改變磁場飽和程度是有效的。觀察曲線,還可以得出如下結論:二次同向充磁時永磁體內的磁場將在一次充磁的基礎上進一步加強,一次反向充磁則會減弱一次充磁時形成的磁場如圖14所示;在圖15中還可以看到,同向充磁電流的情況下,二次充磁時永磁體內的場強在絕對值上低亍一次充磁。由分析可知,二次充磁時,永磁體被看作勵磁源,已被賦予了一定的Br和Hc值,而二次充磁電流形成的磁感應強度B和磁場強度H分別與Br及Hc方向相同和相反,這樣在疊加之后,磁感應強度B得到加強,日卻因此被抵消掉一部分,圖14、15進一步證明了這一點。理論與計算的一致性,表明二次充磁提高磁場的飽和程度是切實可行的。

(2)在二次同向充磁后,永磁體產生的磁感應強度以及磁場強度發生了一定的變化,但是并沒有非常明顯的改善。筆者認為,這是因為軟件中在對磁場賦材料初始磁化曲線時,與實際的磁化曲線有明顯的不同:如圖16所示,理想的永磁體磁化曲線應該是到達磁感應強度到達一定程度后不再上升(圖中虛線),而不是實際計算時的陡坡(實線)。因

此在永磁體被磁化后,沿其中心線ab自上而下理想的磁感應強度B應該是在充磁磁場強度H到達一定程度后,其變化趨于平緩(圖17虛線所示曲線),但由于實際所給的B一H曲線并不是理想的磁化曲線,從而使得B的變化仍然很大,所得的磁感應強度也變成了圖17中的實線所示曲線。

圖16理想磁化曲線與實際計算時的磁化曲線

圖17充磁后沿永磁體中心線ab上理想與實際的磁感應強度變化曲線比較

6 結  語

  (1)在切向充磁無刷直流電動機中,利用定子一相繞組對永磁體進行整機充磁是可行的;

  (2)通過二次充磁可以提高永磁體的磁化程度。

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