短距集中绕组双边型永磁无刷直流直线电机

短距集中绕组双边型永磁无刷直流直线电机

0电机的反电势波形磁浮器是一种高效的飞机起飞器，其关键之一是直线加速电机。文献提出可将一种双边型永磁无刷直流直线电机用于电磁弹射器。其原型机是目前低端产品中常见的短距集中绕组永磁无刷直流旋转电机。因为该绕组模式具有成本低廉、绕线方便、推力大等优点。根据机电能量转换原理,电机定子绕组的反电势波形对推力质量影响很大,因而明确其反电势波形对电机的设计和控制是十分有意义的。文献分析了一类组合定子铁心集中绕组永磁无刷直流旋转电机的反电势波形,但对文献中电机的原型机没有深入说明,并且模型过于理想。文献利用解析计算和有限元仿真两种手段分析了永磁无刷直流电机空载气隙磁场和绕组反电势,但所分析的电机不是文献中电机的原型机。总之,针对文献所提直线电机反电势的研究未见报道,有必要进行研究。本文在电磁场仿真软件Maxwell2D中建立了双边型永磁无刷直流直线电机空载反电势有限元求解模型,指出了这种电机齿槽结构、磁极宽度对反电势波形的影响,并结合一台实际电机的反电势测试结果,说明采用传统的方波电机控制策略控制这种电机效果欠佳。1机反接收式模型在Maxwell2D中建立双边型永磁无刷直流直线电机模型如图1所示。定子铁心材料为硅钢片,绕组为铜质,动子为钕铁硼永磁体。为了分析齿槽结构对电机反电势波形的影响,分别建立了隐槽式[图1(a)]和显槽式[图1(b)]两种模型。两种模型的机械结构参数如表1所示。可以看出,这种电机槽数较少,极槽比为2∶3,集中绕组,且节距约等于2/3极距,是短距绕组,a、b、c三相隔120°电角度,绕于单独齿上,然后分组串联。这种电机定子铁心可以由小单元组合而成,绕线方便;槽比较宽,适合安装粗导线以通过大电流;定子绕组长行程串联也比较方便,因而满足了电磁弹射器的特殊要求。2有限元分析结果因为三相绕组基本对称,所以计算反电势时只考虑其中一相。从基本电磁场方程出发求解,则每一相绕组的端电压为:dfNf⋅lSf⋅a∫∫dfΝf⋅lSf⋅a∫∫dAdtdAdtdΩ+R⋅if+Ldifdt+ucdΩ+R⋅if+Ldifdt+uc(1)式中,df为回路极性(自定义);Nf为相绕组总数(本例为16);Sf为绕组总的截面积;l为模型厚度(本例为0.5m);a为绕组的并联数(本例为1);A为磁矢量;R为相绕组总电阻;if为相电流;L为相绕组总电感;uc为等效相电容上的压降。令式(1)中的if取0,后三项消去,即得一相反电势的求解公式为第一个积分项。其中的积分区域为相绕组自身所占区域。Maxwell2D中的瞬态场分析工具正是根据这一公式来求解定子绕组反电势的。式(1)第一项中,磁矢量A是唯一变量,电机行进中它随动子磁极移动而改变。而电机结构上对A有决定作用的则是齿槽结构和磁极宽度。图2给出了动子速度取4.4m/s、磁极宽度w分别取60mm、48mm、36mm、24mm时,隐槽式和显槽式双边永磁无刷直流直线电机空载反电势有限元仿真波形。由图2(a)可知,隐槽式电机在极宽等于极距时可以取得顶部最宽的梯形波反电势,顶宽接近120°电角度。随着极宽减小,梯形波反电势顶部变窄,最终出现畸形凸起,幅值也有所下降。而图2(b)中,显槽式电机也在极宽等于极距时取得顶部最宽的梯形波反电势,但顶宽不足80°电角度。随着极宽减小,反电势波形演变为接近正弦波,最后减幅畸变。综合图2(a)、(b)可知,这种双边型永磁无刷直流直线电机在极宽等于极距时取得顶部最宽的梯形波反电势,但梯形顶宽不超过120°电角度。齿槽结构的出现,磁极宽度的减小,都会使梯形波反电势顶部变窄,甚至出现畸变。现在考虑反电势波形对推力的影响。根据能量守恒原理,电机动子所受电磁推力F为:F=(eaia+ebib+ecic)/v(2)式中,e为相绕组反电势,不考虑电枢反应时e即空载反电势;i为相电流;v为动子速度;a、b、c代表三相。一般认为,永磁无刷直流电机应实施传统的方波电机控制策略。根据式(2),若i为120°电角度宽奇对称方波,则F的波形将由e来决定。当e为宽顶(不小于120°电角度)梯形波时,F是恒力无波动;当e顶宽小于120°或不是梯形波时,F将会有明显的波动。图2所示反电势波形显然都不满足F是恒力的条件,因而用于电磁弹射器时,对这类双边永磁无刷直流直线电机实施传统的方波电机控制策略效果欠佳。3电机模型与模型由于图1(b)的结构比图1(a)更易实现,而且可以绕制更粗的导线以加大电流,实验制作了一台显槽式双边型永磁无刷直流直线电机,尺寸与表1显槽式电机模型尺寸基本相同,4极。又因为文献认为极宽为45mm时齿槽定位力最小,故极宽确定为45mm。图3给出了该电机动子速度为1.6m/s时一相定子绕组空载反电势的波形。可以看到,由于齿槽结构与磁极宽度的影响,该电机的空载反电势波形已接近正弦波,幅值的差别源于绕组匝数不一致。对该电机实施传统的方波电机控制策略,电机运行正常,但存在较大推力波动。由于推力波形中夹杂了齿槽定位力和换相引起的推力波动,将反电势波形引起的推力波动分割出来很难,故未画出。4齿槽结构、磁极宽度与电机振动的关系本文在Maxwell2D中建立了双边型永磁无刷直流直线电机空载反电势有限元求解模型,得出了齿槽结构、磁极