無刷直流電動機繞組接法的比較分析

    曹春

    (中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

    摘要：概述了在元刷直流電動機設計中三相繞組星形接法和三角形接法的區別，通過損耗和轉矩系數的分析計算，比較了兩者的優劣，得出星形接法的無刷直流電動機效率優于三角形接法的無刷直流電動機。

    無刷直流電動機研制的早期，繞組的接線方式是三角形和星形。在小功率無刷直流電動機中繞組有采用三角形接法的，但在進一步理論分析中發現，采用星形接法的繞組要優于三角形接法的，前者的效率明顯地高于后者。實際的樣機驗證，也證明這點。

    本文將對三相無刷直流電動機繞組星形接法和三角形接法在損耗、效率方面的問題進行分析，并且以具體樣機實驗結果，驗證比較。

l三角形接法的無刷直流電動機環流損耗

    在方波驅動的無刷直流電動機中，為了得到較大的輸出力矩和減小轉矩脈動，希望氣隙磁場為矩形分布，繞組為集中式、整距繞組。而實際上氣隙磁場是近似于矩形的，呈梯形狀的。

1．1磁場分析

  在高性能無刷直流電動機的結構中，轉子磁極采用稀土永磁體，氣隙設計成均勻的，這樣定、轉子氣隙磁場接近于矩形，如圖1所示。

    利用富氏級數分解成一系列諧波磁場，氣隙磁場的大小可用下式表示：

式中：y——諧波次數；

    B_m——磁場幅值；

    K_yv——諧波系數，k_vr=sin(π/2y×αi)。

    此式說明氣隙磁場強度是由基波磁場和各次諧波磁場疊加組成，而諧波磁場的諧波系數k_yγ與極弧系數α_i的大小有關。

    當k_yγ=0時，此次諧波系數為零，此次諧波磁場被消除。例如若想消除三次諧波，則：γ=3(三次諧波)時，k_3y=sin(3π/2×α_i)，求得：α_i=o．6667。也即當磁極的極弧系數等于2／3時，理想上可以消除磁場中的三次諧波，但是這和無刷直流電動機要求寬的氣隙平滑磁場相矛盾。所以一般無刷直流電動機的α₁都選擇在0. 8以上，這也是為了提供足夠寬的氣隙磁場，增加電機有效轉矩和減小轉矩脈動，所以從氣隙磁場分析來講，三次諧波磁場無法****消除。

1．2繞組分析

在無刷直流電動機設計中，12槽2對極、18槽3對極的齒槽配合屬于典型的集中式整距繞組設計。這種齒槽配合的繞組所產生的電動勢，除了包含有基波外，還有許多諧波電動勢，它們是同時產生的。諧波電動勢可分為三種類型，一類是次數為3的倍數，****次數為3次諧波；另一類次數是γ=6k-1，k=1、2、3…，****次為5次諧波，再一類次數是γ=6k+1，k=1、2、3…，****次為7次諧波。由于繞組是集中式整距繞組，所以三種諧波都存在，諧波次數越低，其電動勢有效值就越大，各次諧波的電動勢有效值得出后，即可得出相電動勢的有效值E_φ為：

式中：E_φ1為基波電動勢有效值，E_φ3、E_φ5、E_φ7…為3次、5次、7次諧波電動勢有效值。

    三相繞組在對稱三相系統中各相電動勢的三次諧波在時間上均為同相、且幅值相等：

當繞組接成星形時，繞組的線電壓等于相電壓之差，相減時三次諧波電動勢互相抵消，所以線電勢中不存在三次諧波電動勢，也不存在三的倍數次諧波，故線電動勢的有效值E_L為：

在三角形連接中，三相的三次諧波電動勢值和為3E_φ3,將在閉合三角形回路中形成環流，I_3△，I_3△=3E_φ3/3Z₃，其中，3z₃為回路的三次諧波阻抗。

由于3E_φ3完全消耗于環流的電壓降I3_φ·3z₃，因此線電勢中亦不會出現三