定子齒槽對(duì)永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的影響分析①

張新明， 關(guān)麗雅

(北京青云航空儀表有限公司，北京 100086)

0 引言

永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)具有效率高、功率密度高及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中.近年來隨著電子技術(shù)、磁性材料和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速[1].

永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)多樣，電機(jī)定子常見的是有齒槽結(jié)構(gòu)，因而存在齒槽轉(zhuǎn)矩，齒槽轉(zhuǎn)矩給電動(dòng)機(jī)性能帶來不利的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究[2～5].本文利用 Ansoft Maxwell 2D 對(duì)有齒槽和無齒槽的永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了二維分析，繪出了磁力線分布圖及反電勢(shì)波形圖，比較分析了齒槽對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響，為永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù).

1 有限元分析模型的建立

1.1 永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

額定功率2KW，定子齒數(shù)18，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1200r/min，磁鋼材料為釤鈷合金，貼于轉(zhuǎn)子表面，繞組為星形連接.

1.2 基本假設(shè)

1.3 電動(dòng)機(jī)的二維建模

在Maxwell 2D中創(chuàng)建電動(dòng)機(jī)的二維幾何模型，加載各個(gè)部分的材料，設(shè)置邊界條件.圖1為有齒槽和無齒槽的永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的二維幾何模型.

圖1 永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)二維幾何模型

1.4 網(wǎng)格劃分

電動(dòng)機(jī)氣隙和齒部由于矢量磁位變化梯度大，因此網(wǎng)格劃分較密;軛部、定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯部位由于矢量磁位變化梯度小，網(wǎng)格劃分則較疏，圖2為剖分后的網(wǎng)格.圖中最大剖分單元長(zhǎng)度為4mm.

圖2 永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)網(wǎng)格剖分圖

圖3 空載時(shí)永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)磁力線分布圖

1.5 激勵(lì)源和邊界條件定義及加載

對(duì)定子繞組分相，加載的激勵(lì)源為電流源，由于空載時(shí)電流較小，施加電流0.1A，邊界條件為平行磁通.設(shè)置求解參數(shù)為終止時(shí)間為0.2s，步長(zhǎng)0.001s.設(shè)置完成后進(jìn)行自檢、求解及后處理.

2 仿真結(jié)果及分析

在永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)定子端添加激勵(lì)源為三相對(duì)稱的電流源，利用Maxwell 2D的瞬態(tài)求解器模擬啟動(dòng)過程中某一時(shí)刻的電機(jī)磁場(chǎng)分布，圖3為電動(dòng)機(jī)空載磁力線分布圖，圖中中部顯示的是磁力線在電動(dòng)機(jī)模型中的分布，藍(lán)色磁力線為負(fù)向極值，紅色磁力線為正向極值.左上角顯示的是磁力線及等A線的A值大小，其中單位是Wb/m，

圖4為空載時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線，由圖可見感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形近似為正弦波形，定子無齒槽的反電勢(shì)幅值為30V，波形更接近于正弦波.而有齒槽電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)幅值高，達(dá)到100V.

從圖4的反電勢(shì)波形還可以看出，無齒槽的反電勢(shì)幅值小，但波形平穩(wěn).而有齒槽的反電勢(shì)幅值高，但波形變化梯度大，并且存在突變.這種情況可引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，在電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，對(duì)電動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生不利的影響.

產(chǎn)生這種狀況的原因是由于齒槽效應(yīng)的存在而引起氣隙磁場(chǎng)畸變，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng).而無齒槽的電動(dòng)機(jī)由于定子繞組均勻分布于定子鐵芯內(nèi)表面的氣隙中，無定子齒，不產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩.但氣隙大，氣隙磁密低，因而反電勢(shì)也低.從圖4可以看出無齒槽反電勢(shì)幅值只有30V，而有齒槽的反電勢(shì)幅值為100V.

從分析結(jié)果看，定子無齒槽結(jié)構(gòu)由于無齒槽轉(zhuǎn)矩，適用于對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和振動(dòng)、噪聲要求較高、對(duì)功率密度要求不高的場(chǎng)合.而定子有齒槽的電動(dòng)機(jī)適用于對(duì)功率密度要求高的場(chǎng)合.

3 結(jié)論

利用ansoft Maxwell 2D對(duì)不同定子結(jié)構(gòu)的永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析，得到了磁力線分布圖及反電勢(shì)波形圖，通過這些分析結(jié)果可以看出定子齒槽結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響，有齒槽的結(jié)構(gòu)，由于齒槽效應(yīng)的存在，造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生不利影響，但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大，適合于功率密度要求高場(chǎng)合.而無齒槽結(jié)構(gòu)，由于無定子齒槽，不產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，適合于對(duì)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性和振動(dòng)噪聲要求高的場(chǎng)合.分析結(jié)果為電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和依據(jù).

圖4 永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)空載時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

[1]胡文靜.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展及展望[J]，微電機(jī)－2002，35(4):37 －38.

[2]黃越，唐任遠(yuǎn)，韓霄巖，基于ANSOFT的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析[J].電氣技術(shù)，2008，(4):15 －18，22.

[3]王興華，勵(lì)慶孚，王曙鴻.永磁無刷直流電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的解析計(jì)算方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(10):104 －108.

[4]王道涵，王秀和，丁婷婷，等.基于磁極不對(duì)稱角度優(yōu)化的內(nèi)置式永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(9):66 －70.

[5]關(guān)麗雅，臧宏偉，張新明，基于Ansoft的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的有限元分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31(4):530－532.