無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組接法的比較分析
曹春
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)
摘要：概述了在元刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中三相繞組星形接法和三角形接法的區(qū)別，通過(guò)損耗和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的分析計(jì)算，比較了兩者的優(yōu)劣，得出星形接法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)效率優(yōu)于三角形接法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)研制的早期，繞組的接線方式是三角形和星形。在小功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中繞組有采用三角形接法的，但在進(jìn)一步理論分析中發(fā)現(xiàn)，采用星形接法的繞組要優(yōu)于三角形接法的，前者的效率明顯地高于后者。實(shí)際的樣機(jī)驗(yàn)證，也證明這點(diǎn)。
本文將對(duì)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組星形接法和三角形接法在損耗、效率方面的問(wèn)題進(jìn)行分析，并且以具體樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證比較。
l三角形接法的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)環(huán)流損耗
在方波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，為了得到較大的輸出力矩和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，希望氣隙磁場(chǎng)為矩形分布，繞組為集中式、整距繞組。而實(shí)際上氣隙磁場(chǎng)是近似于矩形的，呈梯形狀的。
1．1磁場(chǎng)分析
在高性能無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子磁極采用稀土永磁體，氣隙設(shè)計(jì)成均勻的，這樣定、轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)接近于矩形，如圖1所示。
利用富氏級(jí)數(shù)分解成一系列諧波磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)的大小可用下式表示：
式中：y——諧波次數(shù)；
Bm——磁場(chǎng)幅值；
Kyv——諧波系數(shù)，kvr=sin(π/2y×αi)。
此式說(shuō)明氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度是由基波磁場(chǎng)和各次諧波磁場(chǎng)疊加組成，而諧波磁場(chǎng)的諧波系數(shù)kyγ與極弧系數(shù)αi的大小有關(guān)。
當(dāng)kyγ=0時(shí)，此次諧波系數(shù)為零，此次諧波磁場(chǎng)被消除。例如若想消除三次諧波，則：γ=3(三次諧波)時(shí)，k3y=sin(3π/2×αi)，求得：αi=o．6667。也即當(dāng)磁極的極弧系數(shù)等于2／3時(shí)，理想上可以消除磁場(chǎng)中的三次諧波，但是這和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)要求寬的氣隙平滑磁場(chǎng)相矛盾。所以一般無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的α1都選擇在0. 8以上，這也是為了提供足夠?qū)挼臍庀洞艌?chǎng)，增加電機(jī)有效轉(zhuǎn)矩和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，所以從氣隙磁場(chǎng)分析來(lái)講，三次諧波磁場(chǎng)無(wú)法****消除。
1．2繞組分析
在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，12槽2對(duì)極、18槽3對(duì)極的齒槽配合屬于典型的集中式整距繞組設(shè)計(jì)。這種齒槽配合的繞組所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，除了包含有基波外，還有許多諧波電動(dòng)勢(shì)，它們是同時(shí)產(chǎn)生的。諧波電動(dòng)勢(shì)可分為三種類(lèi)型，一類(lèi)是次數(shù)為3的倍數(shù)，****次數(shù)為3次諧波；另一類(lèi)次數(shù)是γ=6k-1，k=1、2、3…，****次為5次諧波，再一類(lèi)次數(shù)是γ=6k+1，k=1、2、3…，****次為7次諧波。由于繞組是集中式整距繞組，所以三種諧波都存在，諧波次數(shù)越低，其電動(dòng)勢(shì)有效值就越大，各次諧波的電動(dòng)勢(shì)有效值得出后，即可得出相電動(dòng)勢(shì)的有效值Eφ為：
式中：Eφ1為基波電動(dòng)勢(shì)有效值，Eφ3、Eφ5、Eφ7…為3次、5次、7次諧波電動(dòng)勢(shì)有效值。
三相繞組在對(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)中各相電動(dòng)勢(shì)的三次諧波在時(shí)間上均為同相、且幅值相等：
當(dāng)繞組接成星形時(shí)，繞組的線電壓等于相電壓之差，相減時(shí)三次諧波電動(dòng)勢(shì)互相抵消，所以線電勢(shì)中不存在三次諧波電動(dòng)勢(shì)，也不存在三的倍數(shù)次諧波，故線電動(dòng)勢(shì)的有效值EL為：
在三角形連接中，三相的三次諧波電動(dòng)勢(shì)值和為3Eφ3,將在閉合三角形回路中形成環(huán)流，I3△，I3△=3Eφ3/3Z3，其中，3z3為回路的三次諧波阻抗。
由于3E φ3完全消耗于環(huán)流的電壓降I3 φ·3z 3，因此線電勢(shì)中亦不會(huì)出現(xiàn)三 |
