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谈永磁无刷直流电机的设计特点

2019-10-30 16:34:09     来源:电机技术日参        

【大比特导读】目前三相永磁无刷直流电动机应用最为广泛。逆变器采用半桥结构的三相三状态工作方式时,多用于小功率高速电机;逆变器采用桥式结构的三相六状态工作方式时,可应用于多种驱动系统中。由于绕组电动势非正弦,其中含有大量高次谐波,所以三相绕组多采用星形连接。

永磁无刷直流电动机是集电动机本体、控制器和转子位置传感器于一体的机电一体化器件,电动机的工作特性是各组成部分共同作用的结果,要满足一定的技术指标要求,需从系统的角度出发确定永磁无刷直流电动机的具体工作方式,主要包括电动机相数、绕组连接方式、逆变器拓扑结构、绕组通电方式、转子位置检测方式等。

目前三相永磁无刷直流电动机应用最为广泛。逆变器采用半桥结构的三相三状态工作方式时,多用于小功率高速电机;逆变器采用桥式结构的三相六状态工作方式时,可应用于多种驱动系统中。由于绕组电动势非正弦,其中含有大量高次谐波,所以三相绕组多采用星形连接。当对电动机体积要求不高、环境不恶劣时,一般采用位置传感器检测转子位置,使电动机具有较好的起动特性和抗过载、抗冲击能力,动态特性较好。恒转速运行的永磁无刷直流电动机可采用无位置传感器控制方式,由于无需转子位置传感器,减小了电机的体积,降低了成本,但起动困难、动态特性较差。

电磁负荷选择由于永磁无刷直流电动机的电枢是定子,绕组的散热条件优于直流电动机,故其电负荷选取可适当高于直流电动机。磁负荷Bδ取决于永磁体与其外部磁路的匹配关系,同时永磁体的几何尺寸、性能及其充磁方式对Bδ也有较大影响。通常情况下,采用烧结钕铁硼永磁时,其气隙磁密可取0.7~0.9T;采用粘结钕铁硼时,气隙磁密可取0.35~0.45T。

电机极数和槽数的确定当转子外径、铁心有效长度和气隙磁密确定后,电机内气隙圆周的磁通量就确定了,如果选用较多的极数,每极磁通量减小,电机轭部截面积也可以减小;同时绕组端部缩短,用铜量减少,绕组电感减小,有利于绕组电流换向。但极数选得过多会使转子水磁磁极的极间漏磁通增大,降低永磁体的利用率。在相同转速下,极数越多,电机铁心内磁场的交变频率越高,导致电机的铁耗增大,效率下降。随电流交变频率的增大,逆变器开关的开关频率升高,开关损耗增大,所以极数增大后电机的综合效率降低。极数的确定应综合考虑电机的工作性能和经济性。电机设计时,可选择几种极数,对电机特性进行计算,综合比较性能后,确定合适的极数。

电机极数确定后,可参考电机设计的原则选定定子槽数。一般有两种方案供选择,即整数槽结构和分数槽结构。分数槽结构可有效减小齿槽转矩,其极槽数配合种类多种多样,其中分数槽电机工艺性好,适合大批量生产的小功率电动机,但其永磁体利用率较低。整数槽结构电机多在功率较大的电动机中采用,其永磁材料利用率较高,但需要采取适当措施削弱齿相转矩。

确定了电机的主要参数后,可以根据场路耦合电磁设计方法计算电机的工作特性,将计算结果与设计指标要求相对比,若不满足要求,则调整相应的设计参数重新计算,直至满足设计要求。

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