空心杯電機(jī)永磁體不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較分析

袁永杰，鄭文鵬，尤 瑩，趙金磊，李立娜

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引 言

空心杯電機(jī)不存在齒槽，沒有齒槽轉(zhuǎn)矩，因此噪聲和振動(dòng)小；其物理氣隙較大，電感較小，換向火花小因而電磁兼容性能好；空心杯電機(jī)無鐵心損耗，故效率較高?？招谋姍C(jī)在自動(dòng)化裝備和伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

空心杯電機(jī)的永磁體結(jié)構(gòu)多種多樣，有環(huán)形磁鋼、瓦片形磁鋼；有平行充磁、徑向充磁等。文獻(xiàn)[1-2]采用瓦片形磁鋼對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的影響進(jìn)行了分析，但沒有與環(huán)形磁鋼進(jìn)行對(duì)比分析。文獻(xiàn)[3]對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)環(huán)形磁鋼和瓦片形磁鋼的氣隙磁場(chǎng)諧波和氣隙磁密進(jìn)行了分析，但僅比較了二者的最大氣隙磁密，未進(jìn)一步比較平均氣隙磁密，且未考慮環(huán)形磁鋼不需要導(dǎo)磁軛的情況。目前尚未有文獻(xiàn)對(duì)空心杯電機(jī)永磁體的選型有明確的結(jié)論。

本文總結(jié)了空心杯電機(jī)常用的幾種永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，并通過有限元仿真分析了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，在相同的電機(jī)體積下，平行充磁環(huán)形磁鋼具有最大的平均氣隙磁密和接近正弦的氣隙磁密波形，優(yōu)于其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)果為空心杯電機(jī)的永磁體選型提供了依據(jù)。同時(shí)計(jì)算了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相應(yīng)的計(jì)算極弧系數(shù)，為空心杯電機(jī)使用磁路法計(jì)算電機(jī)參數(shù)提供了參考。本文所采用的磁鋼均為一對(duì)極，不考慮各向異性的影響。

1 空心杯電機(jī)永磁體的基本結(jié)構(gòu)

空心杯有刷電機(jī)一般由機(jī)殼、內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子杯組件、軸承和刷架組件組成。轉(zhuǎn)子杯組件由轉(zhuǎn)子杯、換向器和轉(zhuǎn)軸組成，轉(zhuǎn)子杯采用斜繞組、菱形繞組或其他形式的繞組，形成杯形結(jié)構(gòu)，粘結(jié)在轉(zhuǎn)軸支撐架上，如圖1所示。

內(nèi)定子組件一般包含內(nèi)定子支架和永磁體，是否需要導(dǎo)磁軛視情況而定。為減輕質(zhì)量，內(nèi)定子支架一般采用不導(dǎo)磁的鋁合金材料。內(nèi)定子有三種主要的結(jié)構(gòu)形式。第一種是采用環(huán)形磁鋼，直接粘結(jié)在非導(dǎo)磁的內(nèi)定子支架上，如圖2所示。第二種是采用環(huán)形磁鋼，粘結(jié)在導(dǎo)磁磁軛上，再裝入非導(dǎo)磁支架上，如圖3所示。第三種是由瓦片型磁鋼和導(dǎo)磁磁軛組成，粘結(jié)在非導(dǎo)磁的內(nèi)定子支架上，如圖4所示。而三種結(jié)構(gòu)中磁鋼又有徑向充磁和平行充磁兩種。因此，內(nèi)定子共有六種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為平行充磁瓦片形磁鋼、徑向充磁瓦片形磁鋼、平行充磁無導(dǎo)磁軛環(huán)形磁鋼、徑向充磁無導(dǎo)磁軛環(huán)形磁鋼、平行充磁有導(dǎo)磁軛環(huán)形磁鋼、徑向充磁有導(dǎo)磁軛環(huán)形磁鋼。

圖2 環(huán)形磁鋼內(nèi)定子結(jié)構(gòu)圖(無導(dǎo)磁軛)

圖3 環(huán)形磁鋼內(nèi)定子結(jié)構(gòu)圖(帶導(dǎo)磁軛)

圖4 瓦片型磁鋼內(nèi)定子結(jié)構(gòu)圖

2 六種轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較分析

在電機(jī)結(jié)構(gòu)和繞組等其他零部件參數(shù)完全相同的情況下，電機(jī)的輸出性能主要和主磁通Φ0相關(guān)，而在磁鋼面積相同的情況下，其平均氣隙磁密的大小就決定了磁通的大小。因此對(duì)環(huán)形磁鋼和瓦片形磁鋼、徑向充磁和平行充磁、環(huán)形磁鋼有無導(dǎo)磁軛等六種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行平均氣隙磁密的對(duì)比分析，以確定最優(yōu)的永磁體形式。

六種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的磁鋼采用相同的磁鋼外徑和軸向長度。需要導(dǎo)磁軛進(jìn)行磁路閉合時(shí)，導(dǎo)磁軛內(nèi)孔與環(huán)形磁鋼內(nèi)孔相同，并且為保證瓦片形磁鋼的性能，導(dǎo)磁軛盡量薄，以接近材料的磁飽和程度。

Φ0=BδavS=αiBδS=αiBδτl

式中：S=τl為永磁體一個(gè)極距下的面積；αi為計(jì)算極弧系數(shù)；Bδav為平均氣隙磁密；Bδ為最大氣隙磁密。

另外通過下式計(jì)算六種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算極弧系數(shù)，特別是環(huán)形磁鋼的計(jì)算極弧系數(shù)，為環(huán)形磁鋼的磁路計(jì)算提供參考[4]。

(1)

平行充磁的環(huán)形磁鋼的氣隙磁密(氣隙長度2.2 mm～2.8 mm)如圖5所示，比較接近正弦曲線。

圖5 平行充磁的環(huán)形磁鋼(無導(dǎo)磁軛)磁力線和氣隙磁密

平行充磁的瓦片形磁鋼的磁力線分布(瓦片形磁鋼缺口角度10°～40°)如圖6所示。由于2個(gè)磁極間存在較大的漏磁，氣隙磁密出現(xiàn)了負(fù)值，引起平均氣隙磁密和計(jì)算極弧系數(shù)降低，但其氣隙磁密最大值與環(huán)形磁鋼相當(dāng)。

徑向充磁的瓦片形磁鋼的磁力線分布(瓦片形磁鋼缺口角度10°～40°，磁鋼厚度7.5 mm) 如圖7所示。由于兩個(gè)磁極間漏磁較小，氣隙磁密近似矩形，故計(jì)算極弧系數(shù)與極弧系數(shù)相當(dāng)，但其氣隙磁密最大值低于環(huán)形磁鋼。

圖7 徑向充磁的瓦片型磁鋼磁力線和氣隙磁密

與徑向充磁的瓦片形磁鋼類似，徑向充磁的環(huán)形磁鋼計(jì)算極弧系數(shù)較大，而由于極間漏磁較大，最大氣隙磁密小于平行充磁，如圖8所示。另外，矩形的氣隙磁密不利于換向，因此還會(huì)帶來換向火花大、電磁干擾大的問題。

圖8 徑向充磁的環(huán)形磁鋼(無導(dǎo)磁軛)磁力線和氣隙磁密波形

環(huán)形磁鋼內(nèi)孔若使用導(dǎo)磁軛，環(huán)形磁鋼中部分磁通通過導(dǎo)磁軛的路徑形成閉環(huán)，減小了磁路的磁阻，有利于增大磁通；為保證體積相同，導(dǎo)磁軛和磁鋼的總體積與原磁鋼的體積相同，這又導(dǎo)致了永磁體體積的減小，會(huì)降低氣隙磁通和磁密。因此，采用有限元方法對(duì)帶導(dǎo)磁軛的環(huán)形磁鋼(徑向充磁和平行充磁)進(jìn)行了分析。結(jié)果如圖9、圖10所示，其形式和不帶導(dǎo)磁軛的環(huán)形磁鋼基本一致。

圖9 平行充磁的環(huán)形磁鋼(帶導(dǎo)磁軛)磁力線和氣隙磁密波形

圖10 徑向充磁的環(huán)形磁鋼(帶導(dǎo)磁軛)磁力線和氣隙磁密波形

計(jì)算六種磁鋼的平均氣隙磁密Bδav、計(jì)算極弧系數(shù)和最大氣隙磁密如表1所示。

表1 不同拓?fù)浯配摰钠骄鶜庀洞琶?/p>

從以上分析可以看出：徑向充磁氣隙磁密基本呈方波，不利于電機(jī)換向；瓦片形磁鋼的性能低于環(huán)形磁鋼；平行充磁環(huán)形磁鋼的平均氣隙磁密最大，且氣隙磁密接近正弦波，有利于換向；帶導(dǎo)磁軛的環(huán)形磁鋼平均氣隙磁密略低于平行充磁環(huán)形磁鋼，但由于其使用的永磁體材料較少，該結(jié)構(gòu)可以節(jié)約永磁體成本。

如果需要更高的電機(jī)輸出性能，可以將圖2中內(nèi)定子支架采用導(dǎo)磁材料，這樣既不會(huì)減少永磁體的體積，又能增大氣隙磁密和磁通，經(jīng)計(jì)算氣隙磁密增加近8%，其結(jié)果如表2所示。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是與采用鋁合金材料的內(nèi)定子支架相比，質(zhì)量有所增加。

表2 支架為導(dǎo)磁材料的環(huán)形磁鋼磁密計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

通過對(duì)空心杯電機(jī)的六種永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)環(huán)形磁鋼的磁性能優(yōu)于瓦片形磁鋼，平行充磁優(yōu)于徑向充磁。

(2)在相同的電機(jī)體積下，平行充磁環(huán)形磁鋼具有最大的平均氣隙磁密和接近正弦的氣隙磁密波形，優(yōu)于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(3)在環(huán)形磁鋼和導(dǎo)磁軛總體積一定的情況下，環(huán)形磁鋼可不用導(dǎo)磁軛。因?yàn)榄h(huán)形磁鋼增加導(dǎo)磁軛所帶來的磁通增加不足以彌補(bǔ)磁鋼體積減小帶來的磁通損失。

(4)在磁鋼體積不變的情況下，使用導(dǎo)磁的內(nèi)定子支架可以提高8%的平均氣隙磁密和磁通。

(5)本文還計(jì)算了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相應(yīng)的計(jì)算極弧系數(shù)，為空心杯電機(jī)使用磁路法計(jì)算電機(jī)參數(shù)提供了參考。