无刷永磁直流电机的绕组参数计算.pdf

1、第 卷 第 期年 月沈 阳 工 业 大 学 学 报终 飞文 章 编 号 侧 洲 一 创 加 一 一 以电 气 工 程无 刷 永 磁 直 流 电 机 的 绕 组 参 数 计 算郑 柒 拾 , 王 凤 翔沈 阳 工 业 木 学 电 气 工 程 学 院 , 辽 宁 沈 阳摘 要 绕 组 电 感 参 数 的 准 确 计 算 对 于 永 磁 无 刷 直 流 电 机 的 动 态 性 能 分 析 具 有 重 要 的 意 义 分 别 介 绍了 绕 组 电 感 参 数 计 算 的 磁 场 分 析 法 和 磁 动 势 磁 导 法 , 并 结 合 具 有 内 外 转 子 不 同 结 构 的 两 种 永 磁 无刷 直

2、 流 电 机 的 应 用 实 例 , 对 比 分 析 了 两 种 电 感 参 数 计 算 方 法 的 计 算 精 度 与 实 用 性关 锐 词 永 磁 无 刷 直 流 电 机 绕 组 电 感 计 算 方 法中 图 分 类 号 文 献 标 识 码永 磁 无 刷 直 流 电 机 与 传 统 直 流 电 机 相 比 具 有很 大 的 优 越 性 , 目 前 已 广 泛 应 用 于 国 民 经 济 的 各个 领 域 为 了 提 高 电 机 的 力 能 指 标 和 动 态 性 能 ,需 要 对 电 机 的 电 流 进 行 动 态 控 制 和 波 形 优 化 , 为此 要 求 能 够 准 确 计 算 电

3、机 的 电 压 电 流 波 形 与 动 态特 性 由 于 电 机 结 构 的 复 杂 性 与 气 隙 磁 场 分 布 的非 正 弦 , 使 电 机 的 特 性 分 析 变 得 十 分 复 杂 , 一 般需 要 采 用 计 算 机 仿 真 技 术 对 电 机 的 数 学 模 型 求数 值 解 电 机 数 学 模 型 的 建 立 是 以 电 机 参 数 为 基础 的 , 因 而 电 机 参 数 的 准 确 计 算 , 对 于 电 机 的 特性 仿 真 及 电 机 的 控 制 具 有 重 大 的 意 义 绕 组 电 阻比 较 容 易 确 定 , 因 而 电 机 参 数 的 计 算 主 要 是 确 定

4、不 同 转 子 位 置 下 电 机 绕 组 的 自 感 和 互 感本 文 将 分 析 两 种 永 磁 无 刷 直 流 电 机 绕 组 电 感 参 数的 计 算 方 法 , 即 磁 场 分 析 法 与 磁 动 势 磁 导 法 , 并结 合 具 有 不 同 结 构 的 两 台 永 磁 无 刷 直 流 电 机 应 用实 例 , 对 比 分 析 两 种 电 感 参 数 计 算 方 法 的 计 算 精度 及 其 实 用 性辉 式 中 下 为 材 料 的 磁 阻 率 为 定 子 绕 组 外 加 电 流密 度 电 流 密 度 又 可 用 定 子 电 流 表 示刃弄 一 一 气 二 一 一 一叫百式 中 为

5、定 子 每 槽 有 效 导 体 数 为 定 子 绕 组 电流 凡 为 定 子 槽 面 积 凡 为 槽 电 流 方 向 , 流 人 为, 反 之 为 一转 子 扼定 子磁 场 分 析 法磁 场 分 析 模 型 与 应 用 软 件以 外 转 子 结 构 电 机 为 例 , 考 虑 到 磁 场 的 周 期性 边 界 条 件 和 电 机 结 构 的 对 称 性 , 取 永 磁 无 刷 直流 电 机 的 一 对 极 为 场 的 求 解 域 , 如 图 所 示引 人 矢 量 磁 位 , 则 该 二 维 磁 场 的 边 值 问 题可 表 示 为永 磁 体永 磁 无 刷 直 流 电 机 的 求 解 场 域磁

6、场 计 算 采 用 强 大 前 后 处 理 功 能 的 有 限 元 分析 软 件 分 析 过 程 可 分 为 三 步 , 第 一 步 进行 前 处 理 , 完 成 电 机 求 解 区 间 的 有 限 单 元 网 格 剖分 , 剖 分 所 选 单 元 形 状 为 四 边 形 和 三 角 形 , 剖 分时 要 尽 量 把 与 求 解 有 关 的 区 域 特 别 是 定 转 子 间 的收 稿 日 期作 者 简 介一 一郑 集 拾 一 男 福 建 三 明 市 人 硕 士 生沈 阳 工 业 大 学 学 报 第 卷气 隙 剖 分 单 元 加 密 , 图 是 其 中 一 个 槽 的 剖 分 单元 放 大 图

7、 第 二 步 确 定 一 类 和 二 类 边 界 条 件 , 加人 载 荷 后 求 解 第 三 步 是 数 据 后 处 理 , 画 磁 场 分布 图 , 计 算 绕 组 电 感 参 数 要 计 算 不 同 转 子 位 置时 的 绕 组 电 感 , 需 要 对 不 同 转 子 位 置 角 下 的电 机 磁 场 分 别 进 行 计 算 图 是 转 子 位 置 角 二时 不 加 永 磁 励 磁 而 电 机 仅 一 相 通 电 时 的 磁 场 分 布图一一一 下下凌 ,槽 内 的 单 元 号图 槽 中 各 单 元 的 磁 位 值显 然 , 增 加 槽 剖 分 单 元 数 可 提 高 槽 平 均 磁 链

8、值 计 算 的 准 确 性 , 然 而 , 增 加 剖 分 单 元 将 增 加 计算 时 间 与 复 杂 性 在 不 增 加 剖 分 单 元 条 件 下 , 考虑 剖 分 单 元 面 积 不 等 的 影 响 , 采 取 一 种 改 进 方 法 ,即 采 用 槽 内 所 有 单 元 的 矢 量 磁 位 的 加 权 平 均 值 法求 磁 链 , 即图 槽 的 单 元 剖 分 十, 互。 。式 中 二 。 闰 为 第 个 单 元 的 面 积 , 一 艺 二气 隙 磁 动 势 磁 导 法了图 不 加 永 磁 励 磁 单 相 通 电 时 的 磁 场 分 布 图电 感 计 算根 据 定 义 , 电 感 为

9、 绕 组 所 匝 链 的 磁 链 除 以 绕组 的 电 流 设 绕 组 通 人 电 流 为 , 等 效 串 联 匝 数为 凡 铁 芯 长 度 为 , 则 绕 组 的 电 感 可 表 示 为乙一 十 一 人 一 寸采 用 磁 场 分 析 法 求 绕 组 电 感 可 以 考 虑 磁 路饱 和 非 线 性 的 影 响 , 计 算 准 确 度 较 高 , 然 而 计 算工 作 量 较 大 , 而 且 需 要 前 后 处 理 功 能 良 好 的 磁 场 分 析软 件 作 为 工 程 计 算 , 可 以 采 用 基 于 磁 路 分 析 的绕 组 电 感 参 数 的 近 似 计 算 方 法 , 即 气 隙

10、磁 动 势 磁导 法电 机 绕 组 线 圈 匝 链 的 磁 通 等 于 气 隙 磁 通 密 度沿 定 子 内 圆 的 积 分 当 坐 标 取 在 电 机 定 子 边 时 ,可 知 定 子 圆 周 上 的 气 隙 磁 通 密 度 为 绕 组 的 位 置 角 叭 和转 子 位 置 角 的 函 数 , 即 瓦 瞬 , 叭 这 时 绕 组 电 感可 表 示 为式 中 、 为 绕 组 电 流 流 人 端 所 在 槽 的 磁 位 平 均值 一 为 绕 组 电 流 流 出 端 所 在 槽 的 磁 位 平 均值 由 式 可 知 , 计 算 绕 组 电 感 关 键 是 求 , 和一 设 槽 共 有 个 剖 分

11、单 元 , 求 、 和 水 一 种办 法 是 直 接 求 每 槽 所 有 单 元 的 平 均 值 , 即“ 。 一 半 丁 二 、 , 中 令十 , 上 全,二 】式 中 为 电 机 的 极 距 气 隙 磁 密 可 近 似 等 于 绕 组 电流 产 生 的 磁 动 势 函 数 叱 与 气 隙 磁 导 函 数 礼 , 哟的 乘 积 , 即占 , 中 厂 中 之 占 , 叭如 图 所 示 , 由 于 槽 的 剖 分 单 元 有 大 有 小 , 使得 槽 内 各 单 元 之 间 的 磁 位 值 相 差 较 大 , 因 而 采 用直 接 平 均 值 法 求 电 感 误 差 较 大由 于 气 隙 磁 导

12、 函 数 包 含 定 子 槽 开 口 和 转 子 磁 权 彭 吉构 两 方 面 因 素 的 影 响 因 此 , 又 可 将 礼 , 叭 床 示 为第 期 郑 柒 拾 等 无 别 永 磁 直 流 电 机 的 绕 组 参 数 计 算, , 。 、 风 , , 、 , ,几 咬 口 , 甲 , 了 甲 乙 又 叭 必 、 , 叼二 “ 一 “ 占 ,一 “ 占 “ , 、 一式 中 中 。 为 气 隙 的 一 点 在 定 子 坐 标 中 的 位 置 坐 标 ,定 子 坐 标 原 点 取 在 齿 中 心 线 上 为 转 子 坐 标 原 点相 对 于 定 子 坐 标 原 点 的 转 角 , 转 子 坐

13、标 原 点 取 在磁 极 中 心 线 上 显 然 , 只 要 能 求 出 磁 动 势 函 数 和磁 导 函 数 便 可 计 算 出 绕 组 的 电 感 下 面 以 图 所示 外 转 子 永 磁 无 刷 直 流 电 机 为 例 , 说 明 采 用 磁 动势 磁 导 法 具 体 计 算 绕 组 自 感 与 互 感 的 方 法该 电 机 具 有 集 中 绕 组 , 当 只 有 一 相 绕 组相 通 电 时 , 其 磁 动 势 函 数 叭 可 表 示 为式 中拜 产 儿 二 二 二 无 ,而上 述 计 算 的 自 感 没 有 包 括 槽 部 和 端 部 漏 电感 , 这 部 分 漏 电 感 可 采 用

14、 传 统 方 法 计 算 , 然 后 加人 即 可 相 与 相 和 相 的 相 位 差 分 别 为 “和 。 电 角 度 , 因 而 和 偏 可 分 别 表 示为 从 一 二, 。 、 ”、 甲 , 一 一 召一 止 二 一 。 卜 一 广 一 叮 占 一 礼 。式 中 刀 是 短 距 系 数 , 对 于 整 距 绕 组 口 由 于 该 电机 转 子 磁 极 为 表 面 外 贴 式 结 构 , 且 为 均 匀 气 隙 ,故 可 近 似 认 为 又 贰 , 叭 二 若 拜 沪 二 取 为 气 隙 磁导 基 值 , 则 以 标 么 值 表 示 的 又 以 叭 的 表 达 式 为。 , , 。 ,

15、中又 一 ,气 。 一 、一 。 。 一 宾 一 弃 ” 一 ,礼 。 , 、 , 、 , ,印卜 , 咒 牛 尸 一 一吕 价 。 。毛 一 “式 中 二 , 次 系 数 分 别 为、 ,矛、尹,乙二了万 、 、气 沪 万 丽 万一 器 摇 石 , 一 ” 元 。 ” 沪 一 , 贵 ,。 一 卜 了 只 。 一 。 会在 上 述 表 达 式 中 , 占 为 电 机 的 气 隙 长 度 , 、 为 定子 槽 开 口 宽 度利 用 式 一 可 算 出 只 有 相 通 电 时 气 隙磁 通 密 度 护 , 叭 沿 定 子 内 圆 的 分 布 , 对 其 求 积 分可 得 绕 组 磁 链 , 进

16、而 求 得 随 转 子 位 置 变 化 的 绕 组电 感 曲 线 绕 组 的 自 感 表 达 式 为应 用 实 例基 于 上 述 两 种 电 感 计 算 方 法 分 析 , 下 面 举 一台 内 转 子 结 构 永 磁 无 刷 直 流 电 机 应 用 实 例 该 电 机磁 极 为 不 完 全 表 面 外 贴 式 , 极 间 转 子 扼 加 厚 其主 要 参 数 为 相 数 , 槽 数 , 极 数 一 ,极 距 下 , 铁 心 长 一 , 极 弧 因 数。 一 , 极 间 气 隙 , 极 面 气 隙 , 永 磁体 厚 度 , 槽 口 宽 ,定 子 绕 组 每 相串 联 匝 数 , 槽 和 端 部

17、 漏 电 感以 下 自 感 计 算 值 中 均 包 括 绕 组 槽 部 端 部 漏 电感 图 给 出 了 用 磁 场 分 析 法 求 得 的 绕 组 电 感 参数 随 转 子 位 置 角 变 化 曲 线 , 其 中 采 用 直 接 平均 法 , 采 用 加 权 平 均 法图 是 采 用 磁 动 势 磁 导 法 计 算 的 电 机 绕 组 电感 曲 线 为 了 验 证 计 算 方 法 的 准 确 性 , 本 文 还 用静 测 法 测 定 了 该 电 机 不 同 转 子 位 置 的 绕 组 电 感 曲线 , 如 图 所 示 通 过 图 、 图 与 图 的 对 比 可以 看 出 , 上 述 绕 组

18、电 感 计 算 结 果 皆 与 测 试 值 取 得了 较 好 的 吻 合 为 了 进 一 步 对 比 绕 组 电 感 参 数 不同 计 算 方 法 的 计 算 精 度 及 对 于 不 同 电 机 结 构 的 实用 性 , 本 文 还 计 算 了 另 一 台 外 转 子 结 构 永 磁 无 刷直 流 电 机 的 电 感 表 给 出 了 对 于 具 有 内 转 子 和外 转 子 不 同 结 构 两 台 永 磁 无 刷 直 流 电 机 绕 组 自 感计 算 值 与 实 测 值 的 比 较 可 以 看 出 , 磁 场 分 析 加权 平 均 法 的 计 算 精 度 最 高 , 磁 场 分 析 直 接 平

19、 均 法与 磁 动 势 磁 导 法 的 计 算 精 度 相 近沈 阳 工 业 大 学 学 报 第 卷 一 一 一 , 一 一 ,石 儿 “卜 , , 而 哟 一 心 袱 二 吮 , 岔 , 伽 一 一 石 卜 罗 于 了 叮 卞 丫 叮 二 了 了 仁 丫 户勺 匕它 留 白丛乓坛, 、 矛 伞 声 识 ,出图 采 用 磁 场 分 析 法 计 算 的 电 机 定 子 绕 组 电 感直 接 平 均 法 伪 加 权 平 均 法寸凶凶川山 日、才才才住住 兰 了了 二 熟 二 , 性 ” ” ” ” 令 ” “ “ 冬 “ “ “ “ 毛毛 , , 咬 三 一一汤 三 气气二 户 份 砚 踌 一 一

20、几与的寸闪闪工 已闷, 】图 采 用 磁 动 热 磁 导 法 计 算 的 电 机 定 子 绕 组 电 感表 绕 组 电 感 计 算 值 与 测 试 值 对 比磁 场 分 析 法 内 转 子 结 构 的 电 机与 偏 差外 转 子 结 构 的 电 机与 偏 差,图 电 机 定 子 绕 组 电 感 测 试 值磁 动 势 磁 导 法 相 对 简 单 , 然 而 计 算 精 度 不 如 磁 场分 析 法 高 , 但 仍 可 满 足 工 程 计 算 要 求 本 文 介 绍的 两 种 绕 组 电 感 参 数 计 算 方 法 , 不 但 适 用 于 永 磁无 刷 直 流 电 机 , 而 且 可 适 用 于

21、各 种 结 构 的 其 它 电机 绕 组 电 感 参 数 的 计 算日 ,了,布伟了,冷月广、一、直 接 平 均 值 法加 权 平 均 值 法磁 动 势 磁 导 法实 验 值结 论以 上 分 析 的 两 种 电 感 计 算 方 法 各 有 特 点 磁场 分 析 法 尤 其 是 加 权 平 均 法 的 计 算 精 度 较 高 , 但分 析 计 算 复 杂 , 需 要 采 用 专 门 的 磁 场 分 析 软 件参 考 文 献王 凤 翔 交 流 电 机 的 非 正 弦 供 电 四 北 京 机 械 工 业出 版 社 , 卯盛 剑 霓 工 程 电 磁 场 数 值 分 析 阿 西 安 西 安 交 通大 学 出 版 社 ,汤 蕴 缪 电 机 内 的 电 磁 场 工 北 京 科 学 出 版 社 , 卯陈 世 坤 电 机 设 计 阿 北 京 机 械 工 业 出 版 社 , ,一 , 哎, , 珍 图 ,拍 七中 哪, 心邸 们盯 讨 , 由 砚 洛 王 延 香 编 辑