軸向磁場永磁無刷直流電動機的分析和設(shè)計
諸自強 （浙江大學(xué)）
張士紅 （天津安全電機有限公司）
大衛(wèi)·豪 （英國謝菲爾德大學(xué)）
【摘 要】本文以三維電磁場的分析為基礎(chǔ)，提出了軸向磁場永磁無刷直流電動機的分析和設(shè)計方法，研究了這種電機的內(nèi)外徑的****比例及其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)運行過程。文中通過一臺12極三相星形連接的樣機實測數(shù)據(jù)，證實了所提出的分析和設(shè)計方法的正確性。
【敘 詞】無刷直流電動機永磁電機軸向磁場三維電磁場分析
1引 言
軸向磁場永磁直流電動機分為有刷和無刷兩種結(jié)構(gòu)，有廣泛的應(yīng)用范圍，主要用于運動控制，特別適用于軸向尺寸要求較小的設(shè)備上，例如，汽車散熱器的鳳扇，電動車輛及計算機軟盤的驅(qū)動裝置。軸向磁場永磁無刷直流電動機有3種基本磁路結(jié)構(gòu)，見圖1。圖la盡管需要推力軸承，卻是******的結(jié)構(gòu)。
由于大多數(shù)軸向磁場永磁直流電動機是無槽結(jié)構(gòu)，電樞繞組的厚度比氣隙還大，因此總的有效氣隙相對偏大，故電樞反應(yīng)影響很小，可以忽略不計。僅當(dāng)功率／重量比值較高時，才需要考慮其去磁效應(yīng)。軸向磁場無刷直流電動機的電樞繞組有以下幾種類型：
a．類似于三相感應(yīng)電的定子繞組，由于它是疊繞組，所以導(dǎo)線平均匝長較長。
b．同心式繞組，線圈粘在定子軛上，可使結(jié)構(gòu)簡單，但繞組的空間利用率不高。
c．折疊式繞組，可顯著提高轉(zhuǎn)矩和效率。
d．導(dǎo)線均勻繞于定子鐵心上的框形繞組，見圖l。
軸向磁場結(jié)構(gòu)與徑向磁場結(jié)構(gòu)有兩點不同，即
a．氣隙磁通是軸向的，定、轉(zhuǎn)子鐵心為盤式。
b．工作導(dǎo)體排列成輻射形。
這種電機的特點是：
a．從電動勢的公式中可看出，導(dǎo)體的線速度隨半徑而變化。在一定轉(zhuǎn)速下，半徑越大，線速度越高，從而使氣隙磁通利用率提高。
b．電負(fù)荷也隨半徑而變化，在內(nèi)徑處****，外徑處最小。在繞組設(shè)計、溫升計算以及當(dāng)磁鋼的去磁為不可逆時，必須考慮這種變化。
對于高性能永磁無刷直流電機，在稀土永磁材料價格相對較高和電子整流式電機中相電流為非正弦波的情況下，電機的正確分析和設(shè)計是十分重要的，尤其在降低轉(zhuǎn)矩脈動，預(yù)估動態(tài)特性和提高磁性材料的利用率等方面更是如此。
本文通過一臺12極三相星形連接的樣機實測數(shù)據(jù)證實了所提出的分析和設(shè)計方法的正確性。
2基本設(shè)計方程
式中l(wèi)ec是繞組端部的伸長量，用以計算內(nèi)外徑的邊緣磁通，它對無槽電機影響較大。
由于電負(fù)荷和磁負(fù)荷隨半徑而變化，有以下定義：
a．磁負(fù)荷brav是半徑r和沿磁極中線氣隙磁通密度乘積的積分除以徑向長度，該長度等于實際徑向長度加上考慮繞組端部的延伸量射2lec，該方法將在第3部分中說明
b．電負(fù)荷q在內(nèi)徑(di／2)處有極大值q。
2kw取決于相數(shù)和通電方式，如雙極驅(qū)動星形聯(lián)接kw=2／3；單極驅(qū)動星形聯(lián)接kw=1／3。 nph是相數(shù)，n是每相導(dǎo)體數(shù)，i是相電流，a是并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。
因此給定輸出轉(zhuǎn)矩、電負(fù)荷和磁負(fù)荷、磁鋼外徑d，通過式(l)求得內(nèi)外徑的****比例，計算方法見第4部分。每相反電勢系數(shù)ke也取決于內(nèi)外徑，即
|
