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[Maxwell] 关于空心杯电机四种绕组反电势计算公式推导以及仿真分析

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该用户从未签到

发表于 2021-5-13 13:35 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国浙江杭州
本帖最后由 明何忧不 于 2021-5-13 13:55 编辑

       由于近期接触到一些无齿槽电机的设计问题,电机群内也有很多朋友在交流讨论,所以我自己做了几个简单的反电势算例,希望可以给需要的朋友进行参考。公式推导过程是叶金虎《精密直流永磁电动机》的内容(此书电子版是我money购得,所以厚颜收几个币)。最后希望国内的空心杯越做越好,勿内卷,多挣钱

       我们把嵌在电枢铁芯槽内的绕组原件脱离出来,并借助特殊的漆包线、绝缘材料和粘结剂构成具有足够机械强度、绝缘强度、耐热和变形量小的自支撑空心杯电枢,这种无齿槽结构的无刷电机具有无(低)铁芯损耗、无齿槽转矩、转动惯量小、电感量小的优点。
      
1  直绕组

直绕组反电势推导
(1)法拉第电磁感应定律,长度为L的导体,以相对速度V在磁感应强度B的均匀磁场中做切割磁力线运动,在B、L、V相互垂直的情况下,每匝导体中产生的感应电动势大小为:
                                                                    e=BLV                       (1-1)
其中,B为按正弦规律分布的气隙磁通密度的平均磁通密度,B=(2/π)Bδ,Bδ为气隙磁密峰值;V为电枢圆周线速度。
(2)则每相绕组产生的感应电动势为:
                                                                    Eju=(W/a)*e              (1-2)
其中W为每相绕组总匝数,a为并联支路数。

(3)如果电枢半径为r;转速为n,转/秒;那么线速度V=2πrn,那么(1-2)每相绕组产生的感应电动势克表示为:
                                                                    Eju=(W/a)*4rBδLn       (1-3)
对于小功率无齿槽无刷电机而言。通常1对极,并联支路数a=1,因此,每相绕组感生的反电动势为:
                                                                    Eju=4rWBδLn              (1-4)

2  斜绕组

斜绕组反电势推导

为便于分析,我们取单匝线圈(两根斜导体)展开在坐标平面上,φ是沿着电枢圆周方向的坐标轴线,y是电机长度方向的轴线,L为电机电枢的轴向长度。
当一根竖直导体AD被扭斜成斜导体AB时,感生的平均反电动势exie可表示为:
                                                                   exie=(2/π)VBδLk            (1-5)
其中k为扭斜系数,并且k=2/π;电机电枢的圆周线速度V=2πrn,那么W匝线圈感应电动势可表示为:
                                                                  Exie=(8/π)rWBδLn           (1-6)

3  菱形绕组

菱形绕组反电势推导

同样的,我们取单匝线圈展开在坐标平面上,如图八所示,此时,轴向长度L的菱形绕组CDB可等效为L/2长度的斜绕组AD和DB;因此轴向长度L的菱形绕组与相同轴向长度的斜绕组的感应电动势等效,为:
                                                                   Eling=(8/π)rWBδLn                        (1-7)


4  六边形绕组

六边形形绕组反电势推导

我们取单匝线圈展开在图五所示的坐标平面上,六边形形绕组边ABCD我们可以等效为一个矩形绕组BC,和两个斜绕组AB、CD,因此,菱形绕组感应电动势可表示为:
                                                                  Eliu=(LD/L)Eju + ((L-LD)/L)ELING        
整理得                                                        Eliu=4(LD+2/π(L-LD)) rBδWn      (1-7)



反电势仿真分析(保证除绕组形式外的模型一直性)
矩形绕组反电势有效值 12.37V


斜绕组、菱形绕组反电势有效值分别为 8.31V、8.36V,为矩形绕组的0.67倍(理论值0.64)


六边形绕组取L=38,LD=8.8,反电势有效值仿真数据为9.24V,为矩形绕组的0.74倍(理论值0.72)



除去一些模型误差,基本可以验证公式所得四种绕组产生反电势的倍数关系的正确性。






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[LV.4]偶尔看看III

发表于 2021-6-10 10:06 | 显示全部楼层 来自: 中国广东深圳
厉害,楼主用的是哪个软件仿真的呀,方便的话,能否加好友沟通。我也是从事空心杯电机研发工作的。
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该用户从未签到

发表于 2021-6-24 16:52 | 显示全部楼层 来自: 中国广东惠州
用什么软件仿真的分享一下谢谢!
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[LV.7]常住居民III

发表于 2021-6-25 06:17 | 显示全部楼层 来自: 中国山东淄博
多谢斑竹分享!
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[LV.3]偶尔看看II

发表于 2021-6-30 09:19 | 显示全部楼层 来自: 中国广东东莞
楼主好,今天看到你这篇帖子,有点小兴奋;论坛上空心杯的帖子确实很少;你这让分析让我真正了解不同绕组的反电动势;但是我还有个问题请教楼主,我自己做的空心杯电机模型,出来的反电动势和计算的结果都不对,尤其是2D模型,我贴图给你看看,用的绕组是菱形;不知道楼主可否分相一下你的模型,我想从中找找我的模型问题?

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[LV.5]常住居民I

发表于 2021-6-30 14:44 | 显示全部楼层 来自: 中国广东东莞
用什么软件仿真的分享一下谢谢!
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[LV.6]常住居民II

发表于 2021-9-19 07:06 来自手机 | 显示全部楼层 来自: 中国广东广州
楼主绕组怎么建模的呢?

点评

绕组 2D里面有UDP可以使用 创建空心杯电机绕组模型 也可以通过其他第三方建模工具创建模型 导入到Maxwell 同样可以借助其他分析软件创建模型 导入到Maxwell中进行分析 都是可以的  详情 回复 发表于 2021-10-30 23:24
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[LV.5]常住居民I

发表于 2021-10-30 23:24 | 显示全部楼层 来自: 中国浙江杭州
xy丶 发表于 2021-9-19 07:06
楼主绕组怎么建模的呢?

绕组 2D里面有UDP可以使用 创建空心杯电机绕组模型

也可以通过其他第三方建模工具创建模型 导入到Maxwell

同样可以借助其他分析软件创建模型 导入到Maxwell中进行分析 都是可以的
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[LV.1]初来乍到

发表于 2021-12-15 15:10 | 显示全部楼层 来自: 中国北京
solomonzhang 发表于 2021-6-30 09:19
楼主好,今天看到你这篇帖子,有点小兴奋;论坛上空心杯的帖子确实很少;你这让分析让我真正了解不同绕组的 ...

我之前仿真的三维和二维的结果就有不小的差异,之前我发了一个帖子,我们共同探讨下是什么问题
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[LV.7]常住居民III

发表于 2022-6-14 08:30 | 显示全部楼层 来自: 中国浙江金华
2D应该没有考虑斜度的影响
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[LV.6]常住居民II

发表于 2022-6-23 08:41 | 显示全部楼层 来自: 中国陕西西安
新手学习一下!谢谢楼主~
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[LV.2]偶尔看看I

发表于 2022-7-16 13:44 | 显示全部楼层 来自: 中国湖南长沙
感谢楼主,这真的很有用
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该用户从未签到

发表于 2022-9-3 20:28 | 显示全部楼层 来自: 中国
楼主这个资料非常宝贵,但是现在我三维仿真不知道为啥不准,不知道楼主现在无槽无刷是如何实现准确设计的
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[LV.5]常住居民I

发表于 2023-7-20 09:39 | 显示全部楼层 来自: 中国上海
感谢楼主,这很有用,学习学习
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[LV.1]初来乍到

发表于 2023-7-25 09:24 | 显示全部楼层 来自: 中国陕西西安
yu450351665 发表于 2021-6-10 10:06
厉害,楼主用的是哪个软件仿真的呀,方便的话,能否加好友沟通。我也是从事空心杯电机研发工作的。

这个应该是Maxwell做的,可以加您交流吗,q1134735926
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[LV.6]常住居民II

发表于 2023-10-17 14:50 | 显示全部楼层 来自: 中国北京
您算的是有刷直流的,请问无槽无刷空心杯的反电势怎么计算,这本书上只有菱形的  谢谢了
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