軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的分析和設(shè)計(jì)
諸自強(qiáng) （浙江大學(xué)）
張士紅 （天津安全電機(jī)有限公司）
大衛(wèi)·豪 （英國(guó)謝菲爾德大學(xué)）
【摘 要】本文以三維電磁場(chǎng)的分析為基礎(chǔ)，提出了軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的分析和設(shè)計(jì)方法，研究了這種電機(jī)的內(nèi)外徑的****比例及其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程。文中通過(guò)一臺(tái)12極三相星形連接的樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，證實(shí)了所提出的分析和設(shè)計(jì)方法的正確性。
【敘 詞】無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)永磁電機(jī)軸向磁場(chǎng)三維電磁場(chǎng)分析
1引 言
軸向磁場(chǎng)永磁直流電動(dòng)機(jī)分為有刷和無(wú)刷兩種結(jié)構(gòu)，有廣泛的應(yīng)用范圍，主要用于運(yùn)動(dòng)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(dòng)車輛及計(jì)算機(jī)軟盤的驅(qū)動(dòng)裝置。軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有3種基本磁路結(jié)構(gòu)，見(jiàn)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(chǎng)永磁直流電動(dòng)機(jī)是無(wú)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(duì)偏大，故電樞反應(yīng)影響很小，可以忽略不計(jì)。僅當(dāng)功率／重量比值較高時(shí)，才需要考慮其去磁效應(yīng)。軸向磁場(chǎng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)較長(zhǎng)。
b．同心式繞組，線圈粘在定子軛上，可使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiàn)圖l。
軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)與徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)有兩點(diǎn)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(jī)的特點(diǎn)是：
a．從電動(dòng)勢(shì)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(jì)、溫升計(jì)算以及當(dāng)磁鋼的去磁為不可逆時(shí)，必須考慮這種變化。
對(duì)于高性能永磁無(wú)刷直流電機(jī)，在稀土永磁材料價(jià)格相對(duì)較高和電子整流式電機(jī)中相電流為非正弦波的情況下，電機(jī)的正確分析和設(shè)計(jì)是十分重要的，尤其在降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，預(yù)估動(dòng)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(guò)一臺(tái)12極三相星形連接的樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了所提出的分析和設(shè)計(jì)方法的正確性。
2基本設(shè)計(jì)方程
式中l(wèi)ec是繞組端部的伸長(zhǎng)量，用以計(jì)算內(nèi)外徑的邊緣磁通，它對(duì)無(wú)槽電機(jī)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(zhǎng)度，該長(zhǎng)度等于實(shí)際徑向長(zhǎng)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(shuō)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(dòng)星形聯(lián)接kw=2／3；單極驅(qū)動(dòng)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(guò)式(l)求得內(nèi)外徑的****比例，計(jì)算方法見(jiàn)第4部分。每相反電勢(shì)系數(shù)ke也取決于內(nèi)外徑，即
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