（电机与电器专业论文）低速大转矩直接驱动永磁无刷电机研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm o t o rs y s t e mw i t hg e a rt r a n s m i s s i o n ，l o ws p e e d h i g ht o r q u ed i r e c td r i v em o t o rh a ss p e c i a la d v a n t a g e s p e r m a n e n tm a g n e t i cb m s h l e s s m o t o rh a so b v i o u sp o t e n t i a li nt h ea p p l i c a t i o no fl o ws p e e dh i g ht o r q u ed i r e c t d r i v e f i e l dd u et oi t sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c ya n dh i g ht o r q u ed e n s i t y ，w h i c hi s s t u d i e di nt h i st h e s i sa sf o l l o w s f i r s t l y ，t h em a g n e t i cc i r c u i to fp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sm o t o r ( p m b m ) i s a n a l y z e d t h ee q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i ta n di t ss i m p l i f i e dc o n f i g u r a t i o no ft h e s u r f a c ep m b ma r ed e d u c e d ，o nt h eb a s eo fw h i c h ，n o - l o a dm a g n e t i cf l u xl e a k a g e c o e f f i c i e n te x p r e s s i o ni sg i v e nt h e o r e t i c a l l ya n di sv e r i f i e ds u c c e s s f u l l yb yf e m t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o - l o a dm a g n e t i cf l u xl e a k a g ec o e f f i c i e n ta n dt h em o t o r s s t r u c t u r ep a r a m e t e r si sa l s od e p i c t e d s e c o n d l y ，t h ep m b m sw i t ht h es a m ep o l en u m b e r s ，s a m er a t e dp a r a m e t e r s ，a n d w i t ht h es l o tn u m b e rp e rp h a s ep e rp o l eqe q u a la n dl e s st h a n1 ，w h i c he n j o y sa n i m p o r t a n tp o t e n t i a li n d i r e c td r i v ea p p l i c a t i o n sa r es t u d i e dc o m p a r a t i v e l y t h e c o m p a r i s o n sc o n c e r nt h ed i f f e r e n c e so ft h e i ri n d u c t a n c ep a r a m e t e r s ，m a x i m u mp o w e r ， c o g g i n gt o r q u e ，p h a s ee m f ，m m fa n dt h e i rc o m p o n e n t s ，u n b a l a n c e dm a g n e t i cf o r c e s a n ds oo n t h e nw i n d i n gd e s i g nr u l e so ft h i sk i n do fp m b mw h e nu s e di nt h ed i r e c t d r i v ef i e l da r eg i v e nf i n a l l y t h i r d l y ，t h ea p p r o a c hf o ra c h i e v i n go p t i m a lf l u x w a k e n i n gf o rt h ep e r m a n e n t m a g n e tb r u s h l e s sm o t o ri si n t r o d u c e d b a s e do nt h em a g n e t i cc i r c u i tm e t h o d ，d a x i s i n d u c t a n c ed i f f e r e n c e sb e t w e e nc o n c e n t r a t e df r a c t i o n a l s l o tw i n d i n gp m b ma n d d i s t r i b u t e di n t e g r a l s l o tw i n d i n go n ei sa n a l y z e d ，a sar e s u l t ，t h ec o n c l u s i o nt h a tt h e c o n c e n t r a t e df r a c t i o n a l - s l o tw i n d i n gp m b mf e a t u r e sag o o df l u x w e a k e n i n gp o t e n t i a l c o m p a r e dt oi t sc o u n t e rp a r ti sd r a w nt h e o r e t i c a l l y f i n a l l y ，ap e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sm o t o rw i t hc o n c e n t r a t e df r a c t i o n a l - s l o t w i n d i n g sf o raf l y w h e e ld r i v ea p p l i c a t i o ni sd e s i g n e d t h ed i s s e r t a t i o ng i v e ss o m e u 山东大学硕士学位论文 a n a l y t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw h i c ha r ep r o v e dt ob ei nc o i n c i d e n c ew i t he a c h o t h e r k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sm o t o r ( p m b m ) ，d i r e c td r i v e ，l o ws p e e d h i g l lt o r q u e ，c o n c e n t r a t e df r a c t i o n a l s l o tw i n d i n g s ，m a g n e t i cf l u xl e a k a g ec o e f f i c i e n t i i i 山东大学硕士学位论文 符号说明 咖。：永磁体每极发出的总磁通 k 。：气隙系数 咖暑：气隙磁通g 廖。：永磁体的漏磁通 西历：交链永磁体本身的漏磁通 k ：饱和系数 1 4 ，：相邻两永磁体之间的距离 h 朋：永磁体厚度 西钿：交链两个永磁体的漏磁通 多，：永磁体虚拟内禀磁通 g ：永磁体本身漏磁导 以：电机气隙平均磁密 瓯：交链永磁体本身的漏磁导 b 。：电机永磁体提供的平均磁密 g 翻：交链两个永磁体漏磁导 e ：永磁体的剩磁密度 g ，：磁通经转子轭部磁导 g s ：磁通经定子轭部磁导 f c ：永磁体磁动势 g 量：气隙磁导 h ：磁场强度 。：永磁体磁化方向长度 l ：外磁路提供的磁动势 以：永磁体相对空气的磁导率 肛。：空气的绝对磁导率 s 叩：永磁体面向电机气隙的面积 6 ：电机气隙的实际宽度 6 。：计算气隙大小 0 ：铁心计算长度 i v ：空载漏磁系数 0 c ，：极弧系数 z ：极距 ：永磁体长度 g ：每极每相槽数 ，：基波绕组系数 l c m - 最小公倍数 z 印：电枢齿距 c ：每线圈匝数 足( x ) ：绕组磁动势 c ：n 次谐波磁动势幅值 z ：每槽导体数 如：导体中电流的有效值 山东大学硕士学位论文 i u m ：电机极限电流l d 也。：分布绕组直轴电感值 晰：每相永磁磁链 二d ：电机直轴电感 t 一集中绕组直轴电感值 q ：电机槽数 p ：电机极对数 m ：电机相数 哆：a 相绕组交链磁体磁链 y ：节距系数 j ：绕组节距因数 局j ：绕组分布因数 r g ：气隙半径 b ( o ) ：气隙磁密 y 。：绕组节距 k 如，：绕组因数 乙：a 相绕组自感 乞。：a 相与b 相绕组的互感 0 ：电机定子有效长度 n 。( 0 ) ：a 相绕组匝数函数 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：型空坌日期：盘竺墨垒鱼凰! 塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蕴幢导师签名：锰笪鱼型日期：丞! 垒牡j 5 l 午l 刁 山东大学硕士学位论文 i 第一章引言 1 1 课题背景和选题意义 低速大转矩直接驱动电动机淘汰了笨重的减速机构，避免了减速机构带来的 结构复杂、转动惯量大、效率降低、噪声增加、润滑油泄露、传动间隙、磨损、 维护频繁等各种不利影响。因此直接驱动电动机作为传统电动机加减速器系统的 替代产品得到了很大的重视，并已得到一定程度的应用。 在各种各样的直接驱动电机中，永磁无刷电机由于高效和高转矩密度特点而 最具优势和最有前途【。低速大转矩直接驱动永磁无刷电机尽管在结构和原理上 等同于传统的高速永磁无刷电机，但其性能要求发生了很大变化，如对转矩脉动 【2 】要求严格，同时为适应目前的节能大背景，对其效率指标也提出了新的要求。 其次，由于该种电机体积较大，电机的有效材料消耗量大，如何提高该种电机的 有效材料利用率是该种电机研制开发的一个重要课题。因此本文以低速大转矩直 接驱动永磁无刷直流电动机为研究对象具有重要理论意义和现实意义。 直接驱动用途的永磁无刷电机，转速较低、极数较多，如果采用每极每相槽 数q 小于1 ，特别是采用分数槽集中绕组【】，电机的用铜量、用铁量、铁耗和铜 耗也都很低，对该种电机的广泛应用具有重要意义。因此本文的研究以分数槽集 中绕组永磁无刷直流电机为重点，同时研究其他相关设计计算问题。 1 2 低速大转矩直接驱动永磁无刷电机优越性及研究现状 1 2 1 低速大转矩直接驱动电机及直接驱动永磁无刷电机的优越性 相对于传统驱动电机，低速大转矩直接驱动具有以下技术优势【5 j ： ( 1 ) 运转平稳，噪声小。减速齿轮啮合的机械噪声不复存在，高速转动部件 旋转动不平衡带来的振动、噪声大为降低。 ( 2 ) 结构紧凑。普通电机一般要经2 3 级圆柱齿轮减速机减速才能达到低转 速，机构庞大笨重。低速大转矩新型电机体积和重量通常不到同类型电机与减速 机之和的一半，拆装维修更方便，设备对安装、调试、维护的要求也大为降低。 山东大学硕士掌位论文 ( 3 ) 可靠性高。一方面，润滑油泄漏问题不复存在；另一方面，由于高速转 动和振动导致的磨损、机件松动、变形、疲劳失效等故障大为降低。 ( 4 ) 高效节能。一方面，直接驱动简化了传动链，减少了能量损耗，综合效 率远高于传统的普通电机加配减速机的综合效率；另一方面，低速大转矩电机为 永磁电机，因而具备效率高、功率因数高等永磁电机的独特优点。 ( 5 ) 控制精度高。减速机构的传动齿隙加大了传动控制误差，降低了系统的 结构谐振频率。由于间隙的存在，控制系统的响应频带严重受限，不稳定区频率 降低，运动控制易出现振荡乃至失效。采用低速大转矩新型电机后，系统增益可 以进一步提高，控制对象的动态、静态误差都得到有效控制。 与其它类型低速大转矩直接驱动相比，直接驱动永磁无刷电机具有更高的功 率密度和转矩密度，具有更高的运行效率，因此更具应用前景。 1 2 2 低速大转矩直接驱动永磁无刷电机的应用研究现状 低速大转矩直驱式永磁无刷电动机已经被广泛地应用到生产生活的各个领 域： 家用电器产品。以永磁无刷电动机替代单相交流异步电动机，能够实现空 调器、冰箱、洗衣机等家用电器的直驱变频调速，使其转速随工况自动调节，提 高了节能、电磁兼容性能，并且降低了噪声。如：采用直驱式永磁无刷电动机的 洗衣机效率可提高近3 0 ，同样采用直驱式永磁无刷电动机的变频空调效率可以 提高近2 0 ，效果显著。 电动交通工具。在直驱式电动汽车系统中，永磁同步电动机系统以其高效、 高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点受到国外电动 汽车界的高度重视，尤其在日本得到了极为广泛的应用。 工业自动化设备领域。低速大转矩永磁无刷电动机可以省去机械设备中的传 动机构，简化结构，满足高效率、高精度、高性能的要求，在数控机床、组合机 床、自动纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械、自动化生产流水线和各种专用设 备方面都有广泛应用。如各种机床的回转轴、摆动轴，平网印花机导带定位控制， 注塑机和精密挤出机挤出螺杆驱动，搅拌机、球磨机、破碎机等等。 低速大转矩永磁无刷电机研究方面1 6 j ： 2 山东大学硕士学位论文 在满足电机各项性能指标的前提下，优化电机的磁钢材料尺寸和排列方式， 另外，永磁电机的漏磁场情况比较复杂对电机性能的影响也很大，是永磁电机的 一直的研究方向。 转矩波动【7 9 】是永磁无刷存在的突出问题，特别是在低转速、高精度、调速 范围广的情况下，更要求尽量减少转矩波动，目前国际国内的研究人员正通过各 种途径来解决这个问题，因此减少转矩波动是又一主要研究方向。 1 3 永磁无刷电机分数槽绕组结构的优越性及应用现状研究 1 3 1 永磁无刷电动机分数槽绕组结构的优越性 在交流电机中，每极每相槽数q - - 岔2 m p t f 为整数的绕组称为分数槽绕组l 舡1 2 l 。 分数槽绕组在多极大型水轮发电机、低速同步电动机中广泛应用，在一些异步电 动机设计中也得到应用。在这些交流电机中，采用分数槽绕组技术解决了电机极 数多与槽数有限的矛盾，并通过其等效分布作用削弱电势和磁势的谐波【1 3 1 4 】，提 高其正弦性。 永磁无刷电机本质上是一种交流电机。过去，永磁无刷电机大多采用整数槽 绕组设计，近年分数槽绕组技术在无刷直流电动机上应用日益广泛，而且具有自 己的一些特点。与整数槽相比，无刷电机采用分数槽特别是采用每极每相槽数小 于1 的分数槽绕组甚至分数槽集中绕组有如下好处【1 5 】： 1 ) 在电机设计时，电机的齿部磁密应尽可能均匀，这样才可以充分利用电 机的有效材料，充分利用电机的有效空间【1 6 】。对整数槽绕组电机，电机的每极 槽数至少为3 ，这样对永磁电机来说，电机磁密分布极为不均匀，这样在设计时 需要考虑最高磁密齿的宽度不能太小，从而导致其他齿极度不饱和，降低了齿宽 度的利用率。如果采用每槽极数接近1 的分数槽绕组，电机各齿部磁密分布相对 均匀，电机的齿宽利用率高。 2 ) 平均每极下槽数减少，以较少数目的大槽代替较多数目的小槽，有利于 槽满率的提高、线圈周长和绕组端部缩短，使电动机绕组较少、铜损降低，进而 提高电动机的效率、降低温升、降低时间常数、提高快速性、增加功率密度等【1 7 1 。 3 ) 增加绕组的短距和分布效应，改善电动势波形的正弦性。每极每相槽数 3 山东大学硕士学位论文 q 较小时，齿谐波次数较低，数值较大，这样会使绕组产生的感应电势得不到较 好的正弦波形。采用分数槽绕组，同一相绕组中的各线圈可安排在不同的极下上 层线圈与下层线圈。这样，由于各对极下的齿、槽间存在着空间位移，使得一相 绕组中串联导体感应的齿谐波电势相位不同，从而使其合成电势因相量合成而被 削弱i l 剐，故能得到较好的电势正弦波形。 4 ) 由于分数槽电机齿槽转矩频率较高，齿槽效应转矩幅值通常比整数槽绕 组小，有利于降低振动和噪声【1 9 - 2 0 1 。 5 ) 分数槽绕组电机有可能得到线圈节距y = 1 的设计( 集中绕组) 【2 1 1 。每个 线圈只绕在一个齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减低用铜量：各个 线圈端部没有重叠1 2 2 l ，不必设相间绝缘。 总之，分数槽技术的应用有利于无刷电动机的节能、节材、小型化、轻量化、 省工、生产自动化，从而可降低产品成本，增强产品竞争力。例如，日本资料介 绍，三洋公司空调压缩机电机，以分数槽集中绕组替代原来传统的整数槽绕组， 电机的体积重量降i 1 1 5 ，用铜量减少至6 0 ，铜耗减少3 0 ，效率提高6 。 东芝公司空调压缩机电机以o 2 p = 6 4 分数槽集中绕组替代2 4 4 整数槽绕组，用铜 量减少3 5 ，绕组电阻减少4 0 ，同时改进生产过程使生产率提高5 0 。 1 3 2 永磁无刷电动机分数槽绕组结构的应用研究现状 最近几年开发的直接驱动洗衣机基本上都采用集中绕组分数槽无刷电动机， 例如，日本东芝公司采用0 2 p = 3 6 2 4 方案；哈尔滨工业大学在其直接驱动洗衣机 的无刷电动机多个专利中公布了所采用的有q 2 p = 2 7 2 6 、2 7 2 4 、2 1 2 0 、2 4 2 2 、 1 8 1 6 多个方案；也有采用0 2 p = 1 8 2 0 方案的。中外航模专用无刷电动机采用 0 2 p = 1 2 1 4 、1 2 8 、9 6 、6 8 、6 4 等方案。电动自行车和摩托车用无刷直流电 动机采用0 2 p = 2 4 2 2 、2 1 2 0 、2 1 2 2 、3 6 4 0 、5 1 4 6 等方案；磁盘机采用9 8 、 1 2 1 0 方案等等。 目前对低速大转矩分数槽集中绕组永磁无刷电机的研究很广泛，从不同极 槽配合电机的性能对比而得到该种电机的设计准则【矧，到根据其电感参数的特 点而引起的其特殊应用研究【2 4 2 5 】，还有为进一步提高电机的转矩密度、降低电机 的齿槽转矩而采用多相分数槽集中绕组结构【2 啦8 1 ，文献【2 9 ，3 0 】对分数槽集中绕组 4 山东大学硕士学位论文 电机的最高功率进行了研究，文献【3 1 】对电机的不平衡磁拉力进行了研究。目前 的研究或者固定电机的气隙直径和有效长度、或者固定电机的外径尺寸，改变槽 数及极数进行电机的性能比较，忽视了电机极数变化对电机结构尺寸的影响。分 数槽集中绕组由于电感的增加而导致最大功率降低，显然在某些应用领域出于对 过载能力的要求而不能采用分数槽集中绕组电机，为此需要降低电机的电感，也 就是应该提高分数槽绕组电机的q 值，目前很少有文献对从低速大转矩分数槽集 中绕组电机( 一般q o 5 ) 到q s1 电机进行综合比较。 1 4 本文主要研究内容 ( 1 ) 漏磁系数是各种永磁电机最重要的参数，表面式磁体结构是直接驱动 永磁无刷直流电机普遍采用的磁路结构，因此本文首先采用磁路法分析表面式永 磁无刷直流电机的漏磁系数，并采用电磁场的数值计算方法进行验证。 ( 2 ) 分数槽集中绕组在直接驱动永磁无刷直流电机中具有重要应用价值， 因此本文以分数槽集中绕组为重点，对q s l 一系列分数槽绕组无刷电机进行对比 研究，以给出该种电机的设计策略。比较研究对象包括电感、最大功率、齿槽转 矩、相电动势和磁动势谐波及单边磁拉力和局部饱和问题。 ( 3 ) 具有高弱磁扩速能力是分数槽集中绕组永磁无刷电机的优点之一，因此 本文对表面式磁体结构分数槽绕组永磁电动机的弱磁调速进行分析，对比研究分 数槽集中绕组与q = l 绕组电机直轴电感的差异，从而得出分数槽集中绕组永磁无 刷电机具有高弱磁扩速能力的机理。 ( 4 ) 最后，制作表面式永磁体分数槽集中绕组电机样机，并进行初步的试验 研究。 5 山东大学硕士学位论文 第二章永磁无刷电机的磁路分析与空载漏磁系数计算 2 1 引言 漏磁系数1 3 2 j 是永磁无刷电机最重要的参数之一，其值大小体现了永磁体的 利用率、电枢反应对永磁体抗去磁能力的强弱，同时与电机的弱磁扩速能力有关。 漏磁系数的正确选择在一定程度上决定着电机的设计精度。目前对永磁电机漏磁 系数的选取主要依赖于经验及电磁场的分析计算，并不能满足电机的设计要求。 本章从永磁无刷电机的磁路1 3 3 】分析出发，对广泛应用的表面式磁体结构永磁无 刷电机的漏磁系数进行推导，并采用电磁场的数值计算方法进行验证，在验证的 基础上，给出电机漏磁系数的曲线表达式，以方便查取。 2 2 永磁电机磁路分析 2 2 1 永磁无刷电机磁路的基本结构 图2 - 1 为永磁无刷电机基本结构图( 以外转子电机为例) 1 一外转子铁心；2 一外转子永磁体；3 一气隙；4 一电机槽部；5 一电机齿部； 卜电机定子铁心；7 一电机轴 图2 1 电机截面图 7 山东大学硕士学位论文 图2 2 为外转子永磁无刷电机的磁力线示意图，根据磁通的性质，可以将磁 通分为： 1 永磁体每极发出的总磁通痧。 2 由永磁体发出穿过气隙磁通少量。 3 永磁体的漏磁通中。，这部分磁通分为漏磁通函晶和漏磁通痧钿， 其 中前者只交链一个磁极，而后者交链两个磁极。 洲u f 二：、：j f 4 娶永磁体 i n ih r 、西， ! 一。7f气隙 - ， ， ， 奄g ， 。tf 2 一 翻? _ 一一， 定子铁心 西。一永磁体向外磁路提供的总磁通量； 中。一通过电机气隙的有效磁通量； 少抽一交链永磁体本身的漏磁通；西翻一同时交链两个永磁体的漏磁通。 图2 2 永磁电机磁力线示意图 考虑电机主磁通和漏磁通分别对磁路的影响，可以得到磁通量的磁路图，如 图2 3 所示 8 山东大学硕士学位论文 g 衲一永磁体本身漏磁导( h ) ；g 曲一交链永磁体本身的漏磁导( h ) ； g 翻一同时交链两个永磁体的极间漏磁导( h ) ；g ，一磁通经转子轭部磁导( h ) ； g ，一磁通经定子轭部磁导( h ) ：只一永磁体磁动势( a ) ； g g 气隙磁导( h ) 。 2 2 2 永磁电机磁路的简化 图2 3 磁路图 图2 4 磁路简化 为使问题简化，计算气隙磁导时作如下假设【3 4 j ： 9 山东大学硕士学位论文 铁磁材料的磁导率为无穷大，定、转子铁心表面为等磁位面； 磁力线与铁心表面垂直； 磁场沿轴向均匀分布。 由于铁磁材料磁导率无限大，g ，和g ，近似等于零，简化之后的磁路如图2 4 。 对图2 - 4 ，应用戴维南定理【3 5 】可将磁路图作进一步简化，e f 二端口和e l f 。 两二端e l 参数一样，故计算其一即可，令开路磁动势为e ，输入磁导为g t ，则 g ，：争+ 瓯 ( 2 - 1 ) 疋t = l 疋 ( 2 2 ) g l l i h + 2 g 抽 1 0 图2 5e f 端口和e 1f 1 端口分别的等效磁路 由于磁路中， 一h l ， ( 2 - 3 ) 日磁场强度( a m ) ； l 。永磁体磁化方向长度( c m ) ； c 永磁体向外磁路提供的磁动势( a ) ； 由于p 和g7 分别为串联，可以将图2 5 ，简化到图2 - 6 ，如下图 山3 f - 大学硕士学位论文 c 图2 - 6ef 端口和e 1f 1 端口等效端口 根据诺顿定理，将c d 作为一个二端口，可作如下计算， c d 端的短路磁通量，设为西c d ，则 痧= 2 p i g = 丽2 g i n c ( 等+ 譬) = e 譬= 詈 ( 2 _ 4 ) c d 端的输入磁导定义为g c o ，则 g 一譬一垒4 + 譬 沿5 ， 经过诺顿定理变化后，二端口从c d 转化到c d ，电机磁路模型最终简化到 图2 7 。磁路中各磁导量分别乘以一个系数后，并联在永磁体提供的内禀磁通的 两端。总磁通中。经漏磁导g 威和漏磁通g 6 ，分流后得到主磁通咖。 - l d 一 一 一 一 、- 山东大学硕士学位论文 2 3 永磁电机磁路计算 图2 7 简化磁路 如前所述，永磁体磁通分为主磁通和漏磁通两部分，其中漏磁通也分为两部 分【3 6 1 ，其中一部分如图2 - 9 所示，只经过一个永磁体和空气隙；另一部分是交链 两个永磁体，而后者漏磁通根据漏磁路的不同又分为两种，如图2 8 所示，一部 分磁通( 如磁力线a b ) 是从一个永磁体经过w ，长度气隙到另外一个永磁体； 另一部分磁力线( 如刀j 、咒2 和n 3 段) 是两次经过气隙，并经过电机槽口部分。 以下对各段磁导分析计算。 永磁体磁导表示为： g 劬：笔选1 0 五 ( 2 - 6 ) 仃叩 所永磁体相对空气的磁导率； 。空气的绝对磁导率； s 肋永磁体面向电机气隙的面积( c m 2 ) ： 电机的有效气隙磁导， 1 2 山东大学硕士学位论文 g 。= 警 协7 ， 6 电机气隙的实际长度( 伽) ； 6 。考虑到电机开口对气隙影响的计算气隙大小( c i l l ) ； 0 电机的铁心计算长度( 锄) ； k g 吨隙系数 如图2 - 8 ，平行于电机转子轭部的气隙磁导，其长度可以用永磁体间距w ，来 表示，由于永磁体的边缘效应考虑这一面积为吃宰0 ，磁导应为 图2 8 永磁体之间漏磁通 g 4 b ：z o d , l 生2 ( 2 - 8 1 u ) l ，柚5 ， w f g 彻磁力线交链两个永磁体的磁导； w ，相邻两永磁体之间的距离( c m ) ； 肪、仍和仍段磁导，假设电机齿内的距离为z ，由于磁体边缘的作用，考虑这 1 3 山东大学硕士学位论文 一磁路的面积为鲁木o ，磁导为 g m 射：鱼圳： g n ，一射2 。i 卉1 0 。2 l 。一电机齿空气隙部分平均槽宽( c m ) 。 可以得到，g 知为式( 2 8 ) 和式( 2 - 9 ) 的和，得 ( 2 - 9 ) g 知：鲁圳警舢一： 浯 如图2 - 9 所示，g 抽为一个半圆与一条直线组成的路径，可以得到 g 西- 5 6 = 瓦a o l o , 魄= 等n o + 争”2 协 j l 朋永磁体厚度( c m ) 。 据图2 7 可以分别得到 1 4 图2 - 9 永磁体交链本身漏磁通 山东大掌硕士掌位论文 痧。：一一j 翌l ( 2 - 1 2 ) 5 g | l l b + 2 g 盘+ 4 g 知+ g g 咖：竺苎二竺塑墨! 痧，( 2 - 1 3 ) g i l i l l + 2 g 凸+ 4 g 钿+ g g 1 。 痧g 电机的有效气隙磁通量( 、b ) ； 痧。永磁体向外磁路提供的总磁通量( 、枷) ； 咖，永磁体虚拟内禀磁通( 帅) 。 相应的可以得到 b 。：皇竺二! ! 墨垒! b ，( 2 - 1 4 ) 8 g m h + 2 g 抽+ 4 g 知+ g g 1 驴考篇e 仫 b 。电机气隙平均磁密( t ) 。 b 。电机永磁体提供的平均磁密( t ) ； b ，永磁体的剩磁密度( t ) 。 2 4 空载漏磁系数的计算 永磁体向外磁路提供的总磁通多。与外磁路的主磁通痧。之比是漏磁系数o 。 当永磁电机永磁材料、形状和尺寸一定时，负载大小的变化，就会引起漏磁系数 。的变化，当电机空载时，这个系数就是电机的空载漏磁系数，表示为o n 。o 。 是很重要的参数，一方面表征漏磁通的大小，可以体现永磁体的利用率，另一方 面可以反应电枢反应对永磁体两端的实际作用，o 。大，永磁体抗磁能力就强。 此外，漏磁系数还对电动机的弱磁扩速能力也有影响。 考虑已有磁通( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) ，代入下式可得空载漏磁系数 咿毒爿+ 警 ( 2 1 6 ) 山东大学硕士掌位论文 将( 2 7 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 代入( 2 1 6 ) 可得， o r o - - - - 14 -删知1 + 万生h ) + 丽+ 睾p m 2 6 c 万 z d c + u 0 0w f w 。4 - 2 6 。 上式即为磁路方法计算得到的空载漏磁系数的计算表达式。 2 5 电磁场验证 ( 2 1 7 ) 目前，基于计算机的电机有限元分析，能准确迅速的计算电机电磁场1 3 7 ，3 踟。 a n s o f l 是目前分析电机性能的实用有效的方法，能对电机二维、三维场进行准确 的分析与计算。 表2 - 1 为永磁无刷电机设计的主要尺寸和数据。图2 1 0 是基于a n s o f l 有限 元软件设计的电机结构模型，它是一个8 极1 8 槽的集中绕组分数槽外转子永磁 同步电动机。图2 1 1 是在空载状态下永磁无刷电机的空载磁场分布。图2 1 2 是 电机在空载情况下，通过a n s o f l 有限元软件的强大的后处理功能，分析得到的 电机永磁体磁密和空载气隙磁密。 表2 - 18 极1 8 槽外转子永磁电机尺寸及部分数据 口 3 | 4极数 8 转子外径 5 2 r a m 永磁体厚度 4 5 m m 转子内径 4 6 5 r a m 永磁体长度 2 4 r a m b r1 0 5 t 轴向长度 1 2 r a m 1 6 图2 1 08 极1 8 槽电机截面图 山东大学硕士学位论文 f l u xl i n e s 一9 7 4 3 7 e 一0 0 ：3 黼8 9 3 1 7 e 一0 0 3 寻簧 渊8 i 1 9 8 e 一0 0 3 谳| | _ k x j - 汹 黧7 3 0 7 8 e 一0 0 3 6 4 9 5 8 e 一0 0 3 5 6 8 3 8 e - 0 0 3 4 8 7 1 9 e 一0 0 3 4 0 5 9 9 e - 0 0 3 3 2 4 7 9 e 0 0 3 2 4 3 5 9 e 一0 0 3 1 6 2 4 0 e 一0 0 3 8 1 1 9 9 e 一0 0 4 i 4 2 0 3 e - 0 0 8 8 1 1 9 6 e - 0 0 4 1 6 2 3 9 e 一0 0 3 一z 4 3 5 9 e - 0 0 3 3 2 4 7 9 e 一0 0 3 4 0 5 9 9 e - 0 0 3 4 8 7 1 8 e 一0 0 3 5 6 8 3 8 e 一0 0 3 篇| | j 一6 4 9 5 8 e 一0 0 3 黝一7 3 0 7 8 e 一0 0 3 黼一8 i 1 9 7 e 一0 0 3 一一8 9 3 1 7 e 一0 0 3 i 一9 7 4 3 7 e 一0 0 3 - v 御 檀 图2 1 18 极1 8 槽电机空载磁力线图 b 。一永磁体向外磁路提供磁密b 。一一电机一个磁极下有效气隙磁密 山东大学硕士学位论文 图2 1 28 极1 8 槽外转子永磁电机气隙磁密和永磁体磁密 表2 2 几个典型外转子永磁电机漏磁系数磁路法与电磁场法结果比较 4 极1 2 槽6 极1 8 槽8 极1 8 槽1 0 极1 2 槽 c r o ( 磁路方法)1 0 1 6 8 1 0 3 51 0 5 0 8 1 0 6 1 9 国( 电磁场法) 1 0 61 0 7 11 0 7 61 0 7 5 表2 2 为采用磁路方法和电磁场f e m 方法计算的不同极数永磁电机的漏磁 系数。从表2 2 可以看出，磁路计算方法计算结果比电磁场计算结果小，因为磁 路计算磁导时，不可能精确考虑永磁体边缘磁场、电机沿转子的曲率以及电机磁 场的局部饱和因素，使磁路计算结果略小于电磁场计算值，但是随着电机极对数 的增多，曲率影响逐渐减小，磁路计算结果逐渐接近电磁场计算结果，能够满足 工程要求。 2 6 空载漏磁系数和其它参数之间的关系 实际要求。因此，下面通过磁路方法给出漏磁系数随电机结构尺寸的变化规律 永磁体磁极直接面向空气隙的表面式永磁无刷电机，永磁体宽度岷与永磁 电机极距f 之间的比值称作极弧系数，用0 【。表示，其计算公式为 口p = 监= 上 ( 2 1 8 ) 咿1 兰塑二奎盘二盏! 沼 咿1 + l 苦竺型 ( 2 - 1 9 ) w + z d 。 当电机气隙分别取6 。= o 1 l c m 、6 。= 0 1 c m 、6 。= o 0 8 c m 、6 。= 0 0 6a t i 和 6 。= o 0 4 c m 时，电机的极弧系数口，分别从0 6 到0 8 连续变化时，此时取 = 1 7 5 8 c m ， 胛= 0 4 5 c m ，可以分别得到电机的空载漏磁系数吼随着极弧系 数口。变化的方程，从而得到各个曲线，如图2 - 1 3 所示，其中“+ 、“”、“o ”、 1 8 山东大学硕士学位论文 “x 、“禽 ，分别表示空载漏磁系数随极弧系数a 。变化，6 。分别取 6 。a0 1 l c m 、6 。= 0 1 c m 、6 。；o 0 8 c m 、6 。= 0 0 6 伽和6 。= o 0 4 c m 时的各自变 化的曲线，它们为一组上翘的曲线，气隙愈小空载漏磁系数曲线就愈平行于 水平轴，曲率也愈小。 气 鼎 帐 氆 腥 图2 - 1 3 空载漏磁系数吼在不同气隙下随极弧系数0 【。的变化曲线 当垒从0 0 1 到0 0 6 删，而永磁体长度不发生变化，即：1 7 5 8 c m 。 气隙长度6 。分别取0 1 1c m 、0 1 锄、0 0 8e m 时，可以得到式( 2 2 0 ) ， 。o 竺竺墨：二壶二兰 协2 。， 。0 = 1 + l 去4 - 茅坠 ( 2 - 2 0 ) z 0 ， 其曲线如图2 - 1 4 所示，其中“+ 、“睾 和“0 分别代表空载漏磁系数 随垒变化，6 。分别取6 。0 0 8 c m 、6 。o 1 c m 和6 。o 1 1 c m 时的各自变化的 1 9 山东大学硕- a - 学位论文 图2 1 4 空载漏磁系数在不同气隙宽度下随笙的变化曲线 t 当w - 1 7 5 8 c m ，w ，= 0 8 9 7 c m ，6 。= 0 1 c m 分别取定值时，o o 随着永磁 体厚度办胛的变化曲线 图2 1 5 空载漏磁系数随永磁体厚度的变化曲线 空载漏磁系数可以反映电机永磁体的利用效率，从图2 1 3 可以看出，永磁 山东大学硕士学位论文 电机气隙越小对永磁体的利用率也越高。从图2 1 4 可以看出，当电机极距一定 时，电机随着气隙增大，它的漏磁系数不是线性增长的，并且超过一定限度，电 机永磁体利用率将很快降低。从图2 1 5 可以知道，永磁体厚度很小，漏磁系数 很大，当永磁体厚度增加时，漏磁系数趋于常数。 2 7 本章小结 本章首先对磁路方法和对磁路的处理做了详细的介绍，结合外转子永磁电机 的实际磁路进行了分析和对各分段磁路进行处理，并对外转子永磁电机进行理论 计算，得到理论计算空载漏磁系数。经电磁场计算验证，理论计算空载漏磁系数 满足实际工程要求，为方便读者查阅漏磁系数，给出空载漏磁系数随其他几个参 数变化的曲线。 2 1 山东大学硕士学位论文 曼! 曼! 皇! 曼曼皇曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼皇! 曼曼皇曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼 ! n m 皇曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼 第三章分数槽低速大转矩直接驱动永磁无刷电动机研究 3 1 引言 低速大转矩直接驱动电动机淘汰了笨重的减速机，避免了减速机构带来的结 构复杂、转动惯量大、效率降低、噪声增加、润滑油泄露、传动间隙、磨损、维 护频繁等各种不利影响，是传统电机与减速机的理想替代产品。 在各种各样的直接驱动电机中，永磁无刷电机无疑最具优势和最有前途。直 接驱动电机转速较低、极数较多，因此电机用铁少、铁耗低，此时如果采用每极 每相槽数q 小于1 特别是采用分数槽集中绕组，电机的用铜量和铜耗也都很低， 而且可以自动化嵌线，因此q 小于1 特别是分数槽集中绕组在低速大转矩直接驱 动永磁无刷电机中得到了广泛的重视。 本章以1 0 极电机为例，对q l 的一系列分数槽绕组电机进行对比研究，在 对比研究过程中，尽可能保证各电机具有相同的结构尺寸、电磁负荷和额定参数。 其他极数永磁无刷直流电机具有与1 0 极电机相似的性能。 3 2 小分数槽绕组电机结构及绕组型式 表面式磁体结构更适合于分数槽集中绕组永磁无刷电机，因此下面的对比分 析主要以表面式磁体结构电机为主。对1 0 极电机，从q - 1 开始，逐渐减低q 值， 根据基波绕组系数 d p l ) 不能太低的原则，可能的电机槽数q 及相关性能如表3 - 1 所示。在这些槽数中，3 0 槽电机和1 2 槽电机既可采用单层绕组又可采用双层绕 组，其他槽数电机只能采用双层绕组。显然，3 0 槽双层绕组电机和3 0 槽单层绕 组电机几乎具有相同的结构和性能，下面分析不同槽数电机绕组结构，如图3 - 1 所示。 山东大学硕士学位论文 表3 11 0 极电机可能的槽数及相关绕组数据 槽数目 极距 线圈平均节基波绕组系每相有效匝数绕组单双 距 数1幻p 1 层 90 30 91o 9 4 57 6 5 双层 1 20 41 210 9 3 37 7 6 双层 1 2 ( s ) 0 41 21 0 9 6 67 6 8单层 1 8o 61 820 9 4 57 6 0 双层 2 1o 72 120 9 5 37 7 3 双层 2 70 92 730 9 4 17 6 2 双层 3 0 13 0 3 1 7 7 0双层 ( a ) 9 槽电机 ( c ) 1 2 槽电机( 单层) ( b ) 1 2 槽电机( 双层) ( d ) 1 8 槽电机 山东大学硕士学位论文 ( e ) 2 1 槽电机( 0 2 7 槽电机 ( 曲3 0 槽电机 图3 - 1 不同的电机绕组型式 为进行合理比较，各电机除具有相同的2 2 k w 额定功率、相同的3 8 0 v 额定 电压和相同的5 0 h z 额定频率外，还具有以下相同的特征，这保证了各电机还具 有相近的每相串联有效匝数( k a p l n ) ，如表3 - 1 所示，因此具有相近的电枢基波 磁动势。 相同的定子铁心内外径、铁心有效长度，相同的槽形结构和相同的定子槽 口尺寸； 相同的电机气隙； 相同的电机转子( 永磁体材料性能亦相同) ； 近似相同的槽满率； 近似相同的定子齿和轭部磁密，由于转子轭部磁密很低，因此转子轭部磁 山东大学硕士学位论文 密可以有所不同； 各电机都具自最低的空载电流。这使各电机的铜耗最低，而且空载电势的 设计最合理，且各电机的窄载电势趋于相同。 3 3 电机电感 电机电感【3 9 , 4 0 1 f f f _ j 计算采用电磁场f e m 和磁路分析法，两者分析结果相近， 本节给出电磁场的计算结果。对双层绕组电机来说，随q 的降低，电机自感、直 轴电感和漏电感都有很大程度的增大，电机自感和直轴电感的增加源于漏电感的 增加，如图3 2 所示。图3 3 为1 2 槽电机单双层绕组结构的电感差异，可以看 出，单层绕组电机具有更大的自感、直轴电感、漏电感，具有很低的互感。 l o o 8 0 藿 6 0 嚣4 0 2 0 o 0 30 40 60 70 91 目 图3 - 2 电机电感随q 的变化 双层绕组单层绕组 图3 31 2 槽双层及单层绕组电机电感 直轴电感的增加对电机的最大功率不利，图3 4 为电机最大功率随q 的变化 加 踟 如 加 0 毛一鸶寻 山东大学硕士学位论文 关系。可以看出，对双层绕组，随着电机槽数的增加，留增加，电机的最高功率 近似线形增加。显然为了提高电机的最大功率，必须增大电机的口值，而且不能 采用单层绕组。 直轴电感的增加有利于电机恒功率弱磁扩速能力的提高，因此随着电机槽数 的降低，曰降低，提高了电机的恒功率弱磁扩速能力。而且单层绕组电机比其双 层绕组电机具有更高的恒功率弱磁扩速能力。 电机的自感越大，电机的短路电流越小，而电机的互感越小，电机各相之间 的影响也就越小，这就说明电机的容错能力强。因此降