釹鐵硼永磁無刷直流電動機的磁場分析
林德芳 （中國科學院電工研究所）
【摘 要】永磁無刷直流電動機磁場分布的定量確定對電機性能的預測極為重要。文中通過電磁場理論分析精確預測電機各部分磁場分布和氣隙磁通密度波形，并研究了磁體磁化方向、極對數、極弧系數和氣隙長度對磁場和氣隙磁通密度分布的影響，進行了有限元分析結果與實測值的比較，計算值和試驗值較吻合。
【敘 詞】釹鐵硼系永磁材料無刷直流電動機磁場分析
l引言
無刷直流伺服電機正在急速地取代傳統的有刷直流伺服電機，主要是前者具有明顯的優點：運行可靠，采用逆變器進行電子換向，取消機械換向器和電刷，便于高速運行；結構簡單，維護方便，壽命提高；無電火花，不引起無線電干擾；熱源（定子）在外，散熱條件好；轉子慣量小，響應快。但無刷電機的電樞磁場為非圓形跳躍式旋轉磁場，存在較大的轉矩波動，而電機磁場輸出轉矩和轉矩波動，很大程度上取決于氣隙磁通波形。本文通過電磁場理論的數值分析，定量分析直流無刷電機在不同負載情況下的氣隙磁密分布，同時對兩種典型的轉子永磁磁路結構下的各部分磁場分布進行了分析比較，為電機的合理設計和提高電機性能提供了依據。
2研究模型
永磁無刷直流伺服電動機砑究模型如圖1所示，電機不同介質部分及坐標系表示在圖中
對于二維場，可不考慮磁化強度麗的z軸分量，而磁體周圍存在的面電流分布。僅為z軸方向與磁體幾何形狀以及平行定向與徑向定向這兩種情況下的磁化方向有關。磁化強度與面電流分布的關系如下：
轉子磁鋼的磁化方向對磁場分布有影響，這些影響又反過來制約電機的性能。根據上述研究模型，忽略套環，通過有限元磁場分析，獲得永磁無刷直流伺服電機磁場分布如圖2所示。平行定向即磁化方向平行于瓦形磁體的中心線，如圖2a所示。沿磁化體表面ab與cd的電流層方向相反，其大小為：
由式(4)可得：
沿k邊和ad邊的磁化強度矢量薪和法向單位矢量是連續變化的，其變化的電流層可用下式表示：
1．永磁直流伺服電動機2．永磁交流伺服電動機
徑向定向的磁化強度矢量動的瓦形磁體各點均為徑向，其電流層為：
沿ad與cd邊，夾角與α無關，恒為90度，其電流層為：
圖3表示永磁直流電機與永磁交流電機在不同極弧系數αp時，徑向與平行定向的有效磁通比值（φr／φp)和極數p的關系。
由圖3可知，對于αp=0. 6～0.8的2極直流電機，φr比φp高百分之十七至百分之三十四，隨著極數增加，兩者趨于接近。相反，對于αp≈1的4極或4極以上交流電機，φr比φp增加百分之四至百分之十。
3空載和負載下的磁場分布
電樞反應，即電機在負載下，電樞磁場對主磁場的影響。帶極靴的隱板結構能給電樞反應去磁磁勢提供通路，故電樞反應對磁鋼的去磁作用較小。凸極結構，由于磁鋼面向氣隙，電樞反應直接作用于磁鋼，如果磁路設計不當，負載過大，將會使磁鋼產生不可逆去磁。對直流有刷電機而言，電刷處于幾何中心線上，電樞反應磁場與主磁場正交，產生交軸電樞反應，在磁路不飽和時，其作用僅使氣隙磁場發生畸變，只有當電刷不在幾何中心線上，才產生電樞反應直軸分量。但無刷直流電機情況比較復雜，電樞反應與磁路飽和程度、電機轉向、電樞繞組聯結方式、導通順序和磁狀態角大小有關，因此，通過有限元磁場分析，確定在負載下電樞反應對磁場分布的影響，很有實際意義。
圖4表示轉矩為3. 5nm，6極釹鐵硼永磁無刷直流電 |
