盘式永磁无刷电动机设计中的一些问题
微特电机
D e 设
计分析s i g n a n d a n a l 2006年第4期
盘式永磁无刷电动机设计中的一些问题
王凌峰
(浙江大学, 浙江杭州310027)
The Design Points of Per manentMagnet B rushless DC D isk Mot or
WAN G L ing -feng
(Zhejiang University, Hangzhou 310027, China )
摘 要:介绍了盘式永磁无刷电动机的原理和结构, 探讨了其设计特点, 解决了磁路分析计算和电机主要尺寸确定以及磁极形状选择的问题。
关键词:盘式电机; 永磁; 无刷电动机; 计算公式中图分类号:T M33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2006) 04-0018-02
Abstract:The p rinci p le and structure of per manent magnet brushless disk mot or are intr oduced in this paper . The s pecial design trait of per manent magnet and main size as well as shape of magnetic pole are devel oped .
Keywords:disk mot or; per or; calculati onal f or mula
圈成幅射状直接绕制在定子铁心上, 如图2所示。
转子由高性能的钕铁硼永磁材料与钢板粘结而成, 磁钢在磁轭上按照N 、S 极依次排列, 如图3所示。
[1]
3基本设计特点
3. 1空载工作点
1引 言
盘式永磁电机的气隙是平面型的, 气隙磁场是
轴向的, 因此又被称为轴向磁场电机(AF M ) 。1821年法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场盘式永磁电机。与普通的圆柱式径向磁场电机(RF M ) 相比, 盘式电机具有较高的功率重量比, 在一些要求薄型安装场合更有优势。盘式永磁无刷电动机具有结构简单、运行可靠、控制灵活、换向性能好、效率高等诸多优点, 在汽车、仪表、电动工具、电动车辆驱动、医疗仪器、办公室电器等领域中有着广泛应用。
盘式永磁无刷电动机设计中的一些问题
轴向磁场永磁无刷电动机采用无槽结构导致气隙较大, 磁路不饱和, 磁轭中的磁动势降落可以忽略不计, 同时电枢反应较弱, 亦可以忽略。盘式电机的形式多种多样, 无槽电枢结构只是其中一种, 以下的推导过程和给出的计算公式仅适用于采用这种结构的盘式永磁无刷电动机。
在永磁材料的回复曲线近似线形表示为
μB m =-μr 0H m +B r 气隙磁通密度B δ和永磁体工作点B m 可相应给出:
B δ=
B 2基本结构和原理
永磁无刷电动机按其基本结构而言, 可以认为
是由永磁式同步电动机、电子开关线路以及位置传感器三者组成的电动机系统。盘式无刷电动机利用位置传感器来检测转子的位置, 检测出的信号去触发相应的电子换向线路以实现无接触式换流。电机本体的结构示意图如图1
电机结构示意图所示。电枢绕组无槽结构, 线图1
收稿日期:2004-09-06
σK F +
B m =
μδ
h m
(1)
σK F B r
μδσK F +
h m
(2)
式中:B r -永磁体剩磁密度;
μr -相对回复磁导率; h m -永磁体厚度; δ-气隙总长度;
σ-漏磁系数, 为总磁通与气隙主磁通之比,
ΦΦσσ=1+;
ΦδΦδ
K F -气隙磁密分布系数, 定义为气隙磁密沿
18
改稿日期:2004-10-28
圆周分布曲线所对应的幅值随半径变化
微特电机 2006年第4期
曲线的平均值与最大值的比率, 一般在0. 85～0. 98之间
3. 2基本电磁关系
[2]
D e 设计分析s i g n a n d a n a l 由此可得盘式永磁无刷电动机单位体积的功率
:
。
πD av L ef Σh ) =P em /V=P em /(
πnB δav A av D av /(120Σh ) (10) ×
式中:D av -电枢的平均直径, D av =(D mo +D m i ) /2;
L ef -电枢绕组导体的有效长度, L ef =(D mo -D m i ) /2;Σh -电机轴向总长度;
10
A av -平均直径处的电负荷。
-4
盘式永磁无刷电动机的电枢绕组是分布的, 有效导体位于永磁体前方的平面上, 并在极坐标平面内呈均匀分布。考虑单根导体, 在该平面上的位置可用半径r 和辐角θ来描述, 如图4所示。前面分析气隙磁通密度B δ和永磁体工作点B m 时引入了气隙磁密分布
系数, 故可用平均半径
处的气隙磁密来代替实际的气隙磁密而保持每极磁通量不变。如电机的机械角速度为ω, 平均半径处
) , 则在(r , θ) 处的导体微元的气隙磁密表示为B δ(θ
d r 所产生的电动势为:
) r d r (d e =ωB δ(θ
E c 和每极气隙磁通Φ2
D i )
(5) E c 822
B δav (D mo -D m i ) Φ=(6)
8p
式中:B δav -一个极距下的气隙磁密平均值,
B δav =αi B δ; B δ-气隙磁密; αi -计算极弧系数; D mo 、D m i -磁极的外径和内径。
设每相绕组串联总匝数为N , 则电枢相反电动势为
(7) E Φ=2N E c
盘式永磁无刷电动机相对于圆柱式电机而言, 只是结构改变, 基本的电磁关系并未改变。同样亦可推导出电磁转矩公式也与圆柱式电机一致。设相数为m , 相电流为I Φ, 则盘式永磁无刷电动机的电磁功率为
222
P em =m E ΦI Φ=πnB δav A max (D mo -D m i ) D m i /240
图4 电动势分析计算示意图
由式(10) 可知, 盘式永磁无刷电动机单位体积的功
率与电枢平均直径成正比, 与总轴向长度成反比, 这点与圆柱式电机不同。
盘式永磁电动机磁极外径和内径之比γ=D mo /
D m i , 近似等于电枢外径和内径之比, 称为电枢直径
比, 寸比。8) , γmo m i =3(11)
, 盘式永磁无时可获得最大输出功率。实际设计时, 直径比的选择还要综合考虑用铜量、效率、漏磁等因素, 对于小型机一般取1. 6左右。
磁极的内外径确定后, 关键的问题是如何选择磁极的厚度。基本原则是使永磁体的磁能积HB 达到最大, 以最充分利用永磁材料。分析可知, h m ≈δ时永磁体得到最经济的利用, 但这时B δ≈B r /2,对于剩磁感应强度不高的永磁材料, 并不利于电机设计。所以为了提高气隙磁密, 对于钕铁硼永磁体, 取h m =(1～2) δ为宜。
4磁极及电枢绕组设计
4. 1极数和极弧系数
当磁体间距和极距呈比例时, 采用较少的极数使极间距离增加, 漏磁减少。但对于一定的电枢导体数, 极数少的电动机端接部分较长, 导致用铜量增加, 从而电枢绕组铜耗增加, 效率降低。所以盘式永磁无刷电动机尽管漏磁很大, 但为了有较高的效率, 仍采用较多的极数, 这同时也能够使电枢绕组电感减小, 有利于利用电子器件换向。综合考虑以上因素, 设计中一般选为6～14极。
减小极弧系数有利于减少漏磁,
但会引起每极磁通量降低, 永磁材料的利用率变差, 而磁通的降低又会导致匝数加大和气隙增大, 故一般选取0. 8为宜。
4. 2磁极形状
采用价格低廉的铁氧体永磁材料时, 可以考虑
(下转第36页)
(8)
式中:n -电机转速;
A max -电负荷最大值, 取值在D m i 处。3. 3主要尺寸
与圆柱式电机类似, 盘式永磁电动机的主要尺寸计算公式:
242
D av L ef n /P em =60×10/(πB δav A av ) =
6. 1×10/(B δav A av )
4
盘式永磁无刷电动机设计中的一些问题
(9)
19
微特电机
D r 驱动控i v e a n d c o 然后调用驱动。利用输出口给电机发送控制信号
,
程, 2003, 4(8) :715～717
1994
2006年第4期
电机起动后, 检测光栅是否移动, 如果移动, 则开始利用16位的数字输入口采集数据; 输出停止电机信号后, 电机停止, 程序继续采集数据直到光栅静止, 最后把所有的数据进行存储。对数据做相应的处理后能够将电机的起动、停止特性以及全部运动过程运动曲线图绘制出来。
[2] 陈永校, 郭吉丰, 超声波电动机[M].杭州:浙江大学出版社, [3] 韩天军
, 刘建平, 李朝东. 基于DSP 电机驱动与控制电路[J ].
驱动控制, 2003, (3) :30～34
[4] Chung S W , Chau KT . Neur o -fuzzy dual -mode contr ol of trave 2
ling -wave ultras onic mot ors [C ].Pr oceedings of I nternati onal Conference on Electric Machines and D rivers, 1999:598～600[5] Chung S W , Chau KT . Servo Speed Contr ol of TravelingW ave ul 2
tras onic Mot ors U sing Pulse W idth Modulati on [J ].2001, 29(8) :707～723
Electric,
4结 语
该系统已经完成了电路设计、软件编写和制板, 进行了参数测试与系统联调。用自行研制的电机经过实际测试, 系统工作正常, 达到了设计要求, 验证了设计思想的正确性。可以看出:以工控机为控制主机, PCL -818L 为I/O接口、光栅尺为检测元件, 调频电路为驱动电源构建的测控系统, 使用方便, 运行稳定可靠, 测试精度和效率能满足要求, 满足于本实验室所研制的新型直线超声波电动机的测量和控制的要求。参考文献
[1] 许海, 赵淳生. ].[6] 范贤光, 李惠鹏. 基于PC I 总线的传感器数据采集系统的设计
[J ].测控技术, 2005, 24(3) :1～3
[7] 张建桃. 直线超声电机测控系统的构建与仿真研究[D ].广
州:华南农业大学工程学院学位论文, 2004
张铁民(1961-) , 男, 教授, 用。
:
23; 没有价值, 请圈24。
(上接第19页) 。采用高性能永磁材
料如钕铁硼时, 磁极一般采用圆柱形或扇形结构。圆柱形磁极加工方便, 但空间利用率低; 扇形磁极制造时容易保证质量, 装配时调整余地也大, 而且可以充分利用空间, 获得较大的每极磁通量。扇形磁极有两种结构, 一种磁极电角度α沿径向不变, 如图5a 所示, 另一种电角度沿径向是变化的, 如图5b 所
5结 语
盘式永磁无刷电动机因为没有电刷与换向器, 消除了火花的产生, 噪声也大大减少, 在直流电动机不能胜任的场合, 是一个理想的选择。电枢无槽的结构, 更从原理上去除了转矩的锯齿效应, 在正弦电流供电时转矩平滑无脉动。由于主磁路磁阻大, 磁钢用量大, 在电机成本中所占的比例高。设计时应尽量提高永磁材料的利用率, 在磁极设计时应注意以下几个方面:(1) 磁极内外径比例适当; (2) 极数不能太小; (3) 极弧系数适当大些; (4) 磁极采用扇形结构。参考文献
[1] Baumuller . D isk Mot ors[EB /OL].htt p://www. baumueller . de,
2004-03
[2] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版
示。两者对气隙磁密幅值B δ和平均气隙磁密B δav
的影响差别不大, 在半径大于平均半径的区域, 图5b 形状磁极的气隙磁密大于图5a 形状的磁极。因为在一定转速下半径大的线速度快, 导线的感应电势就大, 气隙磁通利用率也好, 所以图5b 形状的磁极较图5a 形状的有利。
新型直线超声波电动机的测控系统
社, 2002
[3] 严烈通, 刘萍. 盘式永磁无刷直流电动机的计算[J ].微电机,
1994, (4) :5～7
图5 磁极形状
4. 3电枢绕组及电子开关电路设计
作者简介:王凌峰(1978-) , 男, 硕士研究生, 研究方向为盘式电机的设计与控制。
为进一步提高本刊的编辑质量, 请您对此文在读者服务卡上圈上数字代码:
有价值, 请圈9; 没有价值, 请圈10。
电枢绕组如图2所示, 每个线圈按照矩形直接
绕在定子铁心上, 与常规的印制绕组相比, 机械强度更大, 绕组利用率更高。电子开关主回路采用三相星形联接全控电路。
36