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[讨论] 提高永磁电机性能的新途径

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[LV.7]常住居民III

发表于 2012-1-10 16:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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提高永磁电机性能的新途径
——力矩波动的减小


1 引言
  电机的小型轻量化、运行平稳和提高输出是主要发展方向。永磁代替励磁以及控制的电子化,是工业和家庭微特电机技术领域正在发生的主要变化,永磁电机适应了机电一体化产品“短、小、轻、薄”的发展趋势。永磁交直流电机,节能、不发热,精心选择的磁结构和先进的CAD设计,使电机具有调整范围广、转矩波动小、线性度高、过载能力强、分辨率高、热容量大、加减速时转矩大、低速平稳并出大转矩,甚至可取消齿轮直接驱动、轴径短、刚度好、简化传动、降低噪声、提高传动效率和精度、易于和负载匹配,保证在恶劣运行条件下无不可逆去磁及体积小、重量轻等特点。
  永磁直流电机定子有磁钢(磁极),转子(电枢)有齿、槽、换向器和电刷,存在力矩波动的因素,影响低速平稳运行。永磁交流电机,采用逆变器进行电子换向,取消机械换向器和电刷,便于高速运行,结构简单、维护方便、寿命提高。同时,因无电火花,对电子仪器不引起无线电干扰。带线圈的定子(热源)在外,定子线组和铁心损耗引起之发热易于散掉,内部带磁钢的转子无励磁损耗,直接驱动时无热量传给负载。此外,转子惯量小,响应快。但这种永磁交流电机(直流无刷电机)的电枢磁场为非圆形,跳跃式的旋转磁场,存在力矩波动因素。因此,提高用途广泛的永磁电机的性能,减小力矩波动,使电机具有良好的低速平稳性,很有现实意义。
2 力矩波动
  力矩波动将直接影响电机运行的平稳性。对于永磁交流(直流无刷)电机,非圆形旋转磁场,存在力矩波动,感应电动势或电流波形畸变会引起脉动力矩,齿槽或铁心磁阻变化会引起齿槽力矩。永磁直流电机力矩波动产生主要有两方面:



  (1)换向引起的力矩波动:由于电枢反应使气隙磁密的分布产生畸变以及绕组短距,使换向不在零磁密处,元件中电流变换时存在力矩波动。此外,元件数、换向片数是有限的,支路元件数和电动势发生波动及其它机械原因如,电刷与换向器接触不均匀,摩擦力矩变化影响输出转矩的平稳性。
  (2)齿槽引起的力矩波动:齿槽使气隙磁场发生周期性变化,产生磁阻力矩。同时,电枢绕组布于槽内,受槽所限,电枢导体不能连续分布也引起输出力矩的波动。
  齿槽效应引起的力矩波动的可采取下述措施减小:
  ①在满足工艺制造条件下,应尽量增加槽数,槽数应为奇数,使电机的槽数与极对数之间无公约数,以减小磁场波动。
  ②在一个槽内分布虚槽,以增加换向片数,从而减少换向元件匝数和换向电势。
  ③斜槽(即铁心叠片扭转适当齿距),以削弱齿谐波磁场引起的力矩波动。
  ④减小槽口宽度,采用磁性槽楔,削弱气隙磁阻的变化,从而减小阻力矩。
  ⑤适当减小电刷宽度,以减小换向区域,使换向元件在磁密为零附近进行换向。
  如低速平稳性要求更高,可采用无铁心或无槽电枢结构来大幅度削弱或消除齿槽效应引起的力矩波动。对于永磁交流电机,带磁钢的转子在内部,也可以采用斜磁钢的措施来减小力矩波动。图1是永磁交流伺服电机的磁路结构。
  典型的磁路有两种,即图1-b中转子带极靴的隐极结构(横向磁钢)和图1-d中转子为无极靴的凸极结构(径向磁钢)。图2为斜磁钢隐极转子。图3为斜磁钢凸极转子(三维场有限元剖分图)。
3 力矩波动分析实例
  各国正在大力研制电动车,无齿轮直接驱动的“分散式”结构,是当今国际电动车驱动的先进方案。将外转子钕铁硼永磁直流无刷电动机直接装入每个轮子组成电动轮,使电动自动车、电动摩托车和电动汽车能实现高效、低噪声、节能和小型轻量化。
  电动车的轮子由轮式电动机直接驱动,采用逆变器进行电子换向,取消机械换向器和电刷,便于高速运行。这种结构在更换车胎时不影响电动机本体,电动轮自备制动器(刹车盘)。图4为装有内转子永磁无刷直流电动机(轮电动机)的电动轮。车胎与内转子相联。图5为装有外转子永磁无刷直流电动机的电动轮胎转子相联。
  无刷电机的电枢磁场为非圆形跳跃式旋转磁场,存在较大的转矩波动,这将直接影响运行的平稳性。理论和实验证明,斜槽或斜磁钢能抑制转矩波动。此外,磁极宽度对齿槽转矩波动也有影响,适当选择磁极宽度W对槽距λ的比例可降低齿槽转矩波动。作者用外转子钕铁硼永磁无刷直流电动机驱动电动车(中法合作项目)通过有限元磁场分析求得有效地抑制齿槽转矩波动的磁极宽度:W=(n+0.14)λ,n为正整数。图6为一个极距内的外转子无刷电机模型,λ、s、t分别为槽距、槽宽和齿宽,λ=s+t。图7表示Wλ=5.05sλ=0.5的齿槽转矩。实践证明,只要磁极宽度选择得好,可以使齿槽转矩波动的峰值低于额定转矩的1%。


  实际上,齿槽转矩可以通过一个极面下的磁场分



析来计算。设磁极宽度W=(n+Δ)λ,考虑磁极两端的齿槽转矩,傅里叶级数展开:

  (1)

  一个极距内的齿槽转矩为:
  (2)

  从式2可知,选取α=θ1π可以抑制齿槽转矩谐波分量。总的齿槽转矩T2为:
  (3)

由式(3)可知,T2(θ)中齿槽转矩的奇次谐波被消除而偶次谐波则为T1(θ)的两倍。如果取α=θ12π,即可消除偶次谐波分量。
  理论和实验均表明,负载电流为零时,转矩波动的奇次谐波分量基本可以通过一定方式的斜磁钢来消除。偶次谐波和负载电流关系不大,合理选择磁极宽度可抑制偶次谐波。即使最佳的磁极宽度也不能同时抑制齿槽转矩波动的整流转矩波动。两转矩波动的抑制,可以通过磁极宽度的合理设计及斜磁钢来解决。
  采用外转子钕铁硼永磁直流无刷电机直接装入车轮组成电动轮,能实现电动车(电动自动车、摩托车、汽车)高效、低噪声、节能和小型轻量化。轮式电机呈扁平型,内部的电枢轴向长度远小于直径,采用斜槽来削弱力矩波动有困难。我们开发的电动轮用三种方法来减小力矩波动:斜磁钢、合理的磁极宽度W与槽距λ之比和采用优化的磁极形状。图8是轮式电机形状与波动力矩的关系。
  磁极形状1为同心圆弧,磁极形状2为三角函数关系,磁极形状3是形状2的近似直线(便于加工)。由图8可知,后两种磁极形状使力矩波动大为削弱。
  采用优化的磁极形状及合理的Wλ来减小运行时的力矩波动,以永磁电机取代励磁电机可使食物垃圾处理机整机功率从250W增至375W,重量从7.8kg减至4.5kg,电流从4A减至2.3A,起动转矩大幅度提高。
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发表于 2012-1-11 22:21 | 显示全部楼层
楼上的文献怎么没有贴图啊?真遗憾
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发表于 2015-11-15 16:21 | 显示全部楼层
有原文献就好多了,期待上传
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