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不等厚磁極對永磁直流電動機電樞反應的影響

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4277

摘要:為了研究不等厚磁極結構對永磁直流電動機電樞反應和性能的影響,通過建立瞬態電磁場模型,利用時步有限元法對氣隙磁場進行了計算。在此基礎上,分析了不等厚磁極對抑制氣隙磁場畸變和改善換向的效果。結果表明,采用不等厚磁極可以抑制氣隙磁場畸變,減小電位差火化,但并不能降低換向區域的氣隙磁密,起不到改善換向的作用。

0引  言

   永磁直流電動機具有結構簡單、體積小、效率高等優點,在國民經濟各行各業得到了廣泛應用。水磁直流電動機在負載運行時,電樞反應將使氣隙磁場分布發生畸變,可能在換向器表面產生強烈的火花,造成換向器表面和電刷燒壞,導致電機無法正常運行。因此,在永磁直流電動機設計時,應尋找各種方法來盡量抑制其電樞反應。

   文獻[5]指出,利用不等厚磁極形成的不均勻氣隙,可以有效抑制電樞反應引起的氣隙磁場畸變,有利于改善換向。但其分析方法局限于定性說明,缺乏具體數據。目前還未見到有文獻用電磁場數值計算的方法來研究不等厚磁極結構對永磁直流電動機電樞反應的影響。

   本文首先討論了電樞反應對永磁直流電動機性能的影響,然后應用電磁場有限元分析方法,通過數值計算,分析了采用不等厚磁極結構對抑制交軸電樞反應、改善永磁直流電動機性能的效果,說明了采用不等厚磁極可以抑制氣隙磁場畸變,減小電位差火化,但并不能降低換向區域的氣隙磁密,起不到改善換向的作用。

1電樞反應對電機性能的影響

   永磁直流電動機在負載運行時,電樞繞組流過電流將產生電樞磁動勢。當電刷位于幾何中心線上時,電樞磁動勢只有交軸分量。交軸電樞磁動勢沿電樞表面呈三角形分布。當磁極無極靴時,在極弧部分.由于氣隙較小且基本均勻,因此極靴下的電樞磁密隨電樞磁動勢的增大而正比增大;而在兩極之間,雖然氣隙較大,但由于空氣的磁導率與永磁體的磁導率很接近,磁通密度并不急劇減小,仍隨電樞磁動勢的增大而上升,只是增長要緩慢一些。因此,交軸電樞反應磁場分布為近似三角形,而不是馬鞍形,其最大磁通密度出現在交軸上。這是永磁直流電動機交軸電樞反應區別于電勵磁直流電動機的一個顯著特點。電樞齒未飽和時,整個磁路為線性,氣隙磁場可由電樞反應磁場和主極磁場直接疊加而得到,如圖1所示。其中,Fqx為交軸電樞磁動勢,Bqx為交軸電樞反應磁密,B0為空載磁密,Bδ為負載磁密。

l .1電樞反應對氣隙磁場畸變的影響

 圖l  電樞磁動勢和氣隙合成磁場分布

   由圖1可見,交軸電樞反應在半個磁極下具有增磁作用,在另半個磁極下具有助磁作用,使得每個磁極下的氣隙磁場分布發生畸變,其畸變程度可用氣隙磁場畸變系數Kd來衡量:  (1)式中:Bδmax電機負載時的最大氣隙磁密;Bδ為空載時的氣隙磁密。

   當電樞元件切割不均勻磁場時,就會感應出不均勻的電動勢,使與這些元件相連接的換向片的片間電壓也不均勻。當片間電壓過高時,可能導致換向片間的絕緣產生表面放電,形成電位差火花。氣隙磁場畸變越大,最大片間電壓越高,就越容易產生電位差火花。在換向不利的情況下,電刷下的火花與電位差火花匯合在一起.隨著換向器的旋轉,在正、負電刷之間可能形成環火.嚴重時甚至可能導致電刷和換向器表面燒毀,并使電樞繞組受到損傷。

1.2電樞反應對換向性能的影響

   當旋轉的電樞繞組元件從一條支路經過電刷進入另一條支路時,在被電刷短接的過程中,元件內電流將發生改變方向的變化.從而實現換向。良好的換向是永磁直流電動機持久穩定運行的必要條件。

   對于不裝置換向極、電刷放置在幾何中心線上的永磁直流電動機,換向區域的磁場只由電樞反應磁動勢建立。在換向過程中,當換向元件切割磁力線時,將會感應出旋轉電動勢.并在換向元件中產生附加換向電流,進而引起換向火花,阻礙換向,嚴重時甚至燒毀電刷和換向器。

   換向元件內的旋轉電動勢可用下式計算:ek=2NkBkLkγk    (2)式中:Nk為換向元件的匝數;Bk為換向區域磁場的

磁通密度;L為換向元件每一元件邊的有效長度;γk為電樞表面的線速度。

   文獻[5]通過試驗指出,采用不均勻氣隙結構可以有效抑制電樞反應引起的氣隙磁場畸變,改善換向。本文分析發現,若想改善換向性能,需減小換向元件中的附加換向電流,減小旋轉電動勢ek利用不等厚磁極結構抑制電樞反應時,電機的Nk、γk、Lk均不變,由式(2)可知,如要削弱旋轉電動勢,則必須減小換向區域的磁通密度。為此,本文將建立不同程度不等厚磁極的永磁直流電動機有限元模型,分析計算電機負載運行時氣隙磁場畸變情況和換向區域磁密變化規律。

2不等厚磁極結構

   對于常規的永磁電機而言,磁極的內外徑同心,磁極厚度和氣隙大小都是均勻的。當采用不等厚磁極結構時,磁極內外徑不同心,磁極外徑圓心和電樞外徑圓心重合,為O1,磁極內徑圓心為O2,磁極厚度從磁極中心線處的hm連續光滑減小到極尖處的hm1如圖2所示。O2偏離O1的距離不同,則氣隙不均勻程度也不同。

  圖2不等厚磁極示意圖

   為了下面敘述方便,本文首先定義hd為磁極厚度不均勻系數:   (3)式中:O1O2為磁極內外徑圓心間的距離,hm為磁極中心線處的磁極厚度。

3電磁場計算模型

   為了研究永磁直流電動機負載運行時電樞反應對氣隙磁場的影響,本文采用瞬態電磁場模型,應用時步有限元法進行求解。首先假設:

   (1)忽略位移電流,認為電磁場足似穩場;

   (2)不考慮端部效應,設電機磁場按二維分布;

   (3)永磁材料用等效面電流模擬。

   取整個電機為求解區域,用矢量磁位Az進行求解,則瞬態電磁場的邊值問題可表述為:                        (4)式中:Jsz為求解區域內的強加電流密度; 表示在渦流區域內被感應出的渦流密度;Ω為求解區域;S1為求解區域邊界線,統一取定子外圓邊界線和轉子內圓邊界線。

4實例計算

   本文以一臺永磁直流電動機為例進行計算,其基本參數如表l所示。

表1  額定數據及結構參數

首先建立其空載和額定負載運行時的瞬態電磁場模型,仿真計算其穩定運行后的磁場分布。然后對永磁體厚度進行不均勻處理,建立hd分別為O.25、O.5、0.75和1時的四個不等厚磁極計算模

型,如圖3所示。

 

圖3小等厚磁極模型

   根據所建立的永磁直流電動機模型,通過計算,分別繪制出在空載和額定負載穩定運行后某一時刻的氣隙磁密波形圖.如圖4所示。

   圖4氣隙磁密波形

   根據圖4,分別求出空載時hd=0對應氣隙磁密Bδ以及負載時hd>0的最大氣隙磁密Bδmax代人式(1)計算得到氣隙磁場畸變系數,如表2所示。

表2氣隙磁場畸變系數

   從表2可以看出,隨著磁極厚度不均勻系數的增大,氣隙磁場畸變系數將減小,說明采用不等厚磁極可以削弱氣隙磁場畸變,減小最大片間電壓,抑制電位差火花和環火。但同時也可看出,當hd從0.25繼續增大時,氣隙磁密畸變系數僅略有減小,對進一步抑制氣隙磁場畸變的效果不再明顯。另外,通過計算得出,增大磁極厚度的不均勻程度,將引起每極磁通量的減小。因此在實際應用中,需合理選擇磁極的不均勻程度,達到既可保持每極磁通量基本不變,又可減小交軸電樞反應引起的氣隙磁場畸變、抑制電位差火花和環火的效果。

   根據圖4計算得到的氣隙磁密波形圖,還可進一步求出在不同hd時換向區域(即電樞的幾何中性線處)的平均氣隙磁密,如圖5所示。

   圖5換向區域磁密變化圖

   由圖5可以看出,當hd從0~0.5變化時,換向區域的氣隙磁密有上升的趨勢;從O.5—1時,又逐漸下降??傮w來看,采用不等厚磁極后,換向區域的氣隙磁密并沒有得到明顯降低。這說明,采用不等厚磁極并不能減小由電樞反應在換向區域產生的磁場,不會減小旋轉電動勢,因此也起不到改善換向的作用。

5結語

   本文首先從理論上分析了永磁直流電動機電樞反應對氣隙磁場及電機性能的影響,然后建立了永磁直流電動機空載和負載運行的瞬態電磁場模型,應用時步有限無法計算了不同程度不等厚磁極對抑制電樞反應的效果。結果表明,采用一定程度的不等厚磁極,可以抑制電樞反應造成的氣隙磁場畸變,抑制電位差火花和環火;但并不能有效降低換向區域的氣隙磁密,起不到改善換向的作用。另外,選用不等厚磁極會減小氣隙磁通,對電機性能帶來其它

不利影響。因此,實際中應綜合考慮各種因素,合理選用磁極的不均勻程度來抑制電樞反應。

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