釹鐵硼永磁無刷直流電動機(jī)的磁場分析
林德芳 （中國科學(xué)院電工研究所）
【摘 要】永磁無刷直流電動機(jī)磁場分布的定量確定對電機(jī)性能的預(yù)測極為重要。文中通過電磁場理論分析精確預(yù)測電機(jī)各部分磁場分布和氣隙磁通密度波形，并研究了磁體磁化方向、極對數(shù)、極弧系數(shù)和氣隙長度對磁場和氣隙磁通密度分布的影響，進(jìn)行了有限元分析結(jié)果與實(shí)測值的比較，計(jì)算值和試驗(yàn)值較吻合。
【敘 詞】釹鐵硼系永磁材料無刷直流電動機(jī)磁場分析
l引言
無刷直流伺服電機(jī)正在急速地取代傳統(tǒng)的有刷直流伺服電機(jī)，主要是前者具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行可靠，采用逆變器進(jìn)行電子換向，取消機(jī)械換向器和電刷，便于高速運(yùn)行；結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，壽命提高；無電火花，不引起無線電干擾；熱源（定子）在外，散熱條件好；轉(zhuǎn)子慣量小，響應(yīng)快。但無刷電機(jī)的電樞磁場為非圓形跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，存在較大的轉(zhuǎn)矩波動，而電機(jī)磁場輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動，很大程度上取決于氣隙磁通波形。本文通過電磁場理論的數(shù)值分析，定量分析直流無刷電機(jī)在不同負(fù)載情況下的氣隙磁密分布，同時(shí)對兩種典型的轉(zhuǎn)子永磁磁路結(jié)構(gòu)下的各部分磁場分布進(jìn)行了分析比較，為電機(jī)的合理設(shè)計(jì)和提高電機(jī)性能提供了依據(jù)。
2研究模型
永磁無刷直流伺服電動機(jī)砑究模型如圖1所示，電機(jī)不同介質(zhì)部分及坐標(biāo)系表示在圖中
對于二維場，可不考慮磁化強(qiáng)度麗的z軸分量，而磁體周圍存在的面電流分布。僅為z軸方向與磁體幾何形狀以及平行定向與徑向定向這兩種情況下的磁化方向有關(guān)。磁化強(qiáng)度與面電流分布的關(guān)系如下：
轉(zhuǎn)子磁鋼的磁化方向?qū)Υ艌龇植加杏绊�，這些影響又反過來制約電機(jī)的性能。根據(jù)上述研究模型，忽略套環(huán)，通過有限元磁場分析，獲得永磁無刷直流伺服電機(jī)磁場分布如圖2所示。平行定向即磁化方向平行于瓦形磁體的中心線，如圖2a所示。沿磁化體表面ab與cd的電流層方向相反，其大小為：
由式(4)可得：
沿k邊和ad邊的磁化強(qiáng)度矢量薪和法向單位矢量是連續(xù)變化的，其變化的電流層可用下式表示：
1．永磁直流伺服電動機(jī)2．永磁交流伺服電動機(jī)
徑向定向的磁化強(qiáng)度矢量動的瓦形磁體各點(diǎn)均為徑向，其電流層為：
沿ad與cd邊，夾角與α無關(guān)，恒為90度，其電流層為：
圖3表示永磁直流電機(jī)與永磁交流電機(jī)在不同極弧系數(shù)αp時(shí)，徑向與平行定向的有效磁通比值（φr／φp)和極數(shù)p的關(guān)系。
由圖3可知，對于αp=0. 6～0.8的2極直流電機(jī)，φr比φp高百分之十七至百分之三十四，隨著極數(shù)增加，兩者趨于接近。相反，對于αp≈1的4極或4極以上交流電機(jī)，φr比φp增加百分之四至百分之十。
3空載和負(fù)載下的磁場分布
電樞反應(yīng)，即電機(jī)在負(fù)載下，電樞磁場對主磁場的影響。帶極靴的隱板結(jié)構(gòu)能給電樞反應(yīng)去磁磁勢提供通路，故電樞反應(yīng)對磁鋼的去磁作用較小。凸極結(jié)構(gòu)，由于磁鋼面向氣隙，電樞反應(yīng)直接作用于磁鋼，如果磁路設(shè)計(jì)不當(dāng)，負(fù)載過大，將會使磁鋼產(chǎn)生不可逆去磁。對直流有刷電機(jī)而言，電刷處于幾何中心線上，電樞反應(yīng)磁場與主磁場正交，產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)，在磁路不飽和時(shí)，其作用僅使氣隙磁場發(fā)生畸變，只有當(dāng)電刷不在幾何中心線上，才產(chǎn)生電樞反應(yīng)直軸分量。但無刷直流電機(jī)情況比較復(fù)雜，電樞反應(yīng)與磁路飽和程度、電機(jī)轉(zhuǎn)向、電樞繞組聯(lián)結(jié)方式、導(dǎo)通順序和磁狀態(tài)角大小有關(guān)，因此，通過有限元磁場分析，確定在負(fù)載下電樞反應(yīng)對磁場分布的影響，很有實(shí)際意義。
圖4表示轉(zhuǎn)矩為3. 5nm，6極釹鐵硼永磁無刷直流電 |
