集中绕组永磁无刷电动机

集中绕组水磁尢刷电动机永磁无刷电动机的应用永磁无刷电动机由于使用了高性能永磁材料做磁极，体积小、重量轻、效率高，其转矩特性与直流电动机一样，具有调节控制方便、调速范围广、动态响应快等特点。因此，愈来愈受到重视，它不但能代替一般的直流电动机使用，而且在数控机床、加工中心、智能机器人等要求高精度的应用场合，可作为交流伺服电动机。随着家电工业的发展，由于永磁无刷电动机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家电变频的需要。在空调、冰箱、洗衣机等产品中，逐步由常规的单相异步电动机驱动而向永磁无刷电动机变频调速发展。因此可以看到，永磁无刷电动机有广阔的发展前景。近些年来，永磁无刷电动机在绕组结构方面有了显著

的改变就是从原来常用的三相分布绕组改为三相集中绕组。

因数减小，定子磁动势中谐波含量增加及定子齿、槽对磁场分布的影响增大，使电动机的脉动转矩增大。本文将针对集中绕组的特点重点介绍其绕组构成及电动机转矩的计算方法。集中绕组永磁无刷电动机的绕组构成典型的集中绕组典型的集中绕组是电动机1对极内只有3个定子齿、槽，定子槽数Q与极对数p的关系为Q/p=3,3个齿上套3个线圈，分别属于A、B、C三相。多对极的电动机，具有p组线圈，可以将他们串联或并联构成三相绕组。图2为极对数p=2、定子槽数Q=6时三相绕组的连接图，图中表示2对极下有2组三相线圈，把每相的2个线圈串联构成了三相绕组，其中1、4线圈串联后构成A相，2、5线圈串联构成B相，3、6线圈串联构成C相。A叩 C匚 XA叩 C匚 X丫丁Z-图2,整数槽集中绕组连图1a为三相分布绕组，它的定子槽数多，绕组节距接近一个极距t。图1b为三相集中绕组，它的定子槽数少，每对极只有

这种绕组的节距为短距，节距系数y=2/3相邻两槽的电角度a=pX360°/Q=120°；可以计算电动机的短距因数K=sinyn/2=0.866分布因麴^=1（因为是集中绕组）；d1绕组因数K=K・K=0.866。可见，其绕组1因数较低'，对电动机的感应电动势及基3个槽（甚至更少）。每相绕组集中放置在相邻的2个槽内，绕

波磁动势削弱较多。为了提高绕组因数，常采用分数槽集中绕组。中绕组。组节距接近2/T。集中绕组的优点是绕组端接部分缩短导线用量减少，绕组线圈电阻降低，铜耗减少，电动机效率提高，制造周期

分数槽集中绕组这种绕组的特点是电动机每对极内包含的槽数小于,8 15^15. “*78 15^15. “*72 21图3线圈电动势向量图ffls性尚电浦哥！ii|■图图4分数槽绕组一相绕组连接图绕组节距y=1；极距节距 T=21/22系数y=y/t=22/21。

1首先画出定子上线圈产生的电动势向量图，见图3。图3中表示21个线圈产生的电动势向量，如果把双数的电动势向量反向，如图中2线圈产生的电动势向量为2号,则须是3的倍数，即Q/3=整数，才能构成三相对称绕组。这种绕组必须先画出槽导体电动势向量图才能确定线圈如何分配构成三相对称的绕组，举例说明如下例：电动机的极对数p=11，定子槽数Q=21，画出三相绕组图。由于极对数多，电动机的转速n=60f/p=272.73r/min是一种低速电动机。定子上相邻两槽的电角度a=pX360°/Q=188.57143反向的电动势向量为2’号，它将位于1、3两个电动势向量之间。共可得到10个反向电动势向量。将11个正向电动势向量和10个反向电动势向量分为对称的三组每组串联即可组成对称的三相电动势。A相由1、2’、3、4’、5、6’、7等向量组成；B相由15、16'、17、18'、19、20'、21等向量组成；C相由8、9’、10、11’、12、13’、14等向量组成。根据电动势向量图3,可以构成三相绕组，图4表示入编谚同志；我一且是苇编谚同志；我一且是苇电气时fU■的也笑招样和件也我爱制电彳叶此耻并触隹札 礼'州敦十年•来理一&在职住商用电恩的发旺水牢与动向.井理时脚国内到T晶发慎木平导动畜,新产鬲.新工艺,新村料介跚务国向广J、械札炖气时彳抒作为媒惟，船了我达个机会，西而"丽标*««««削:加电*J’fW的相牌,伸电气肘代&I浅表了L址的立卓璀电丁时代》琉辑.与作拓烽心注心，理得到了苴大的精神鼓舞和物周如林.庄■4-jfifta蓬;我打辙强囊为g电气时枕』工俪•牛K虹WHS监要照成高U饮礼’£变WR大部分冲副*者,面向叵零读器薜，忙虫气严蛆购办牌里精阳把盐术部冷寻得电*:用.山地遂睇持瞒度弗辑同志：她5代A虬坤削成的技术内容即二火律业有殊右'吟果别相大.州宣州据饿£$她「■普迎格屋电气匚作人员整不蜓.虫科技骨楹高的内样，我狙糟青群#寺半件观啰书刊野3life.融智时代独展.忡J任总％适-'儡N出冲肝技合站商的灰的也H福性的,希堡2」气4邸能刊登更岁具有卖用册情曲内嘉p据叫相比，点电置时代3物甲弟一痢咐内再觥物别虬用咀能弟蛔5力-村"•埃―说］部购U］必脉动a)炒b)“0I112：•344n5脉动a)炒b)“0I112：•344n5七677匕的角度rad于.图5王集中绕组永磁无刷电动.机转矩波形图相绕组的构成，同理可画出田目及魅目。以下计算绕组因数短距因数K=siny・n/2=sin22/21Xn/2=0.997分布因数由1图可知1与2,向量的夹角为a=8.57143,每组串联线圈数目q=7sinqaK= =0.956d1qsini，…一，， 2绕组因数K=KK=0.953。可见，分数槽绕组的绕组因数比整数槽时高得多。集中绕组永磁无刷电动机的转矩分析永磁无刷电动机传动系统一般由逆变器、磁同步电动机、控制系统和位置传感器四部分组成，逆变器的通电方式往往采用三相六拍导通方式每一相绕组均导通12(°、断电60。、然后再导通120°、断开60°。在这种通电方式下，定子绕组将产生个步进式的旋转磁场，从而造成电动机的转矩除平均值外，还存在脉动转矩。对于集中绕组永磁无刷电动机由于每对极的定子槽数很少，在电动机转子转动时，由于定子槽数开口引起的气隙磁导变化影响较大，因此这种电动机还存在由于定子齿、槽变化而引起的脉动转矩。对于一般永磁无刷电动机计算转矩的方法是将三相系统转换到二相d-q坐标系统，将定子电流分解为i『i，可得转矩公式如下 "'T=pEi+(L—L)ii]式中祖——永磁体'产生磁链"dqfi「i——定、转子电流的d、q轴分量L、L d、q轴电感。转矩由2部分组成，第1项为主转矩，由定子q轴电流与永磁体磁链作用产生；第2项为磁阻转矩。由于d、q轴磁阻不同产生。但是，上述公式是计算了基波磁动势作用下电动机产生的平均转矩，不能计算电动机的脉动转矩，对于集中绕组永磁无刷电动机，可采用由电动机磁场储能对转子位移的偏导数求得电动机转矩，其表示式为T=—pHC-0式中p——电动机极对数W 电动机的磁场储能；0——电动机的转子的位移角。从上式公式出发可以推导出双边励磁包括永磁体电动机)的转矩公式

_!f"2 E2)2土Q1。Q5Q式中i——定子电流10L 定子绕组自感祖12——永磁体在定自绕组中产生的磁链W——永磁体产生的电机内磁场能量。第一项定子电流产生的磁阻转矩，对表面永磁电动机，转子转动时L不变，转矩为0,对内埋式永磁电动机L会变，可产生磁阻1转矩。 11第二项定子电流与永磁体产生磁链相互作用产生电动机的主转矩。第三项永磁体产生的磁阻转矩，转子转动时，齿槽对Wm2变化将会产生脉动转矩。2下面通过一个例子，计算电动机的转矩1台表面永磁的无刷电动机样机参数如下：定子内径D.=80mm，气隙长度。=0.5mm，铁心长L=40mm，极对数p=4，定子c槽数Q=12，定子齿度L=18mm，定子槽宽L=2.94mm，t s运行时定子每相安匝AT=200A，永磁体产生每极等效安匝F=800A，F=266A。m1经计算，可'得到电动机的转矩波形如图5所示。图5a为考虑永磁体3次谐振磁动势作用下由于定子齿、槽变化产生脉动转矩对于永磁体基波磁动势它所产生齿、槽脉动转矩为0。图5b为电动机负载运行时考虑永磁体3次谐波磁动势作用下产生的总电磁转矩它是在平均电磁转矩上叠加6次谐