前述的电枢反应磁动势分解为直轴和交轴分量传统分析方法,它是一种基于矢量图的理论,其前提是这些磁动势和磁场量均为正弦量。显然这和无刷直流电机的实际情况有距离。为此,作者提议基于电枢反应磁动势分布图,如图8-2所示,采用电枢反应磁场与永磁磁场叠加分析方法使电枢反应对气隙磁场影响得以直观的理解,并得到有别于直轴和交轴分量传统分析方法的认识和结果。
图8-2实际上是图8-1的展开,图中第一行表示在A相和B相两相通电时绕组通电相带分布,第二行表示电枢反应磁动势Fa和相应的电枢反应磁通密度Ba分布波形,图8-2a、b、c 3个分图和图8-1一样,分别表示在该状态角内的初始点、中间点和最终点时刻永磁转子的位置和电枢反应引起的气隙磁通密度分布变化情况。为了简单起见,假设永磁产生的磁场Br为梯形波,在图中以虚线表示;图中的细实线表示电枢反应磁场Ba分布波形。在均匀气隙以及磁路不饱和的假定情况下,可利用叠加原理求出电机合成气隙磁场波形,图中以粗实线表示合成气隙磁场Bs波形。它显示出在一个状态下磁极三个有不同位置时,电动机气隙磁通密度分布变化情况。
由图8-2可以看出,在一个状态角内的不同时刻,合成气隙磁通密度分布是不同的,这是与有刷直流电机很大不同的地方。由于电枢反应,任一时刻转子磁极都存在前部增磁和后部去磁,气隙磁通密度分布都呈现前高后低的不对称波形,并且磁通密度过零点产生了一些前移。
在参考文献[6]用电磁场的有限元分析方法就三相六状态2极6槽外转子无刷直流电动机的电枢反应对气隙磁场影响进行了分析,在该文的图4给出一个状态角范围内三个典型位置下的气隙空载磁通密度和负载磁通密度分布图,该图中显示出负载气隙磁通密度分布都呈现前高后低的不对称波形。这说明了上述分析是符合实际情况的。
在图8-2的一个极下,两相通电时,当每极每相槽数q比较大时,可抽象看成定子内圆两个相带(120°)范围内均布有通电导线,其密度等于线负荷A。以D表示定子内径,W为每相定子绕组串联匝数,I为绕组电流,则线负荷A可以表示为
在一个状态角内任意时刻,电磁转矩Tem是这些通电导线与其所处的气隙磁通密度作用产生,它可以表示为
式中,Br、Ba、Bs分别表示永磁磁通密度、电枢反应磁通密度、合成气隙磁通密度沿着角度θ的分布函数。积分是在图中120°范围进行的。
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图8-2 一个状态角内三个时刻的电枢反应对气隙磁场影响示意图
从上式可见,电磁转矩Tem可看成是两个积分的叠加。但是,在一个状态角内的任意时刻,如图8-2所示,在120°积分范围内电枢反应磁通密度Ba的分布是完全相同的,而且正负对称的,使上式的第二个积分结果等于零。这样,电磁转矩Te只和永磁磁通密度Br有关。也就是说,只要电机转子结构各向同性,定子磁路不饱和,满足叠加原理的线性条件,在一个状态角范围内任意时刻,有效气隙磁通密度平均值相对于空载来说没有增加也没有减少,电枢反应对永磁转子的平均效应既没有去磁,也没有增磁。电枢反应对电磁转矩Tem影响可以忽略。电磁转矩Tem只和永磁产生的磁场Br有关。实际上,这是容易理解的:如果我们想象一台表面粘贴磁片的转子,将磁片去掉只剩下一个圆形铁心,电枢绕组流过两相电流并不会产生电磁转矩。顺便指出,在一个状态角内不同时刻,在120°积分范围内永磁磁场Br分布是不同的,电磁转矩Tem也就不一样,随着转角位置而变化。
这里如果我们观察一个极下的总磁通(即磁通密度在180°范围内的积分)变化,发现在初始点、中间点和最终点时刻三个有不同位置时,合成气隙磁场的总磁通相对于永磁磁场总磁通分别是减小(去磁)、不变和增加(助磁)。故此,如8.2节所述,传统观点认为在电机的一个状态角范围内,电枢反应由去磁变为助磁,并认为电枢反应引起平均气隙磁通密度下降主要原因是一个状态角范围内,因磁路局部饱和,直轴电枢反应磁动势作用使后半个状态增磁未能够抵偿前半个状态去磁的缘故。看来,这个看法是不够确切的。问题的关键在于:无论是电磁转矩还是感应电动势都只是与绕组的每根导体所处的磁通密度有关,在定子直槽情况下,它们是由在120°积分范围内气隙磁场分布决定的,而不是由180°积分范围内气隙磁场分布(即一个极下的总磁通)决定的。也就是说,120°积分范围外的气隙磁场如何对电磁转矩或感应电动势的产生是没有作用的。而如图8-2所示,去磁或助磁比较厉害的地方却发生在120°积分范围外。
由此可以得到对表贴式转子无刷直流电机电枢反应的新认识:
1)在一个状态角范围内任一时刻,由于电枢反应,转子磁极都存在前部增磁和后部去磁现象。
2)电枢反应引起平均气隙磁通密度下降主要原因是因为磁路存在局部饱和,在一个状态角范围内任一时刻,都存在转子磁极一部分的增磁未能够抵偿另一部分的去磁造成的。
3)但在120°积分范围内的去磁或助磁都比较小,只要不是严重过载,磁路局部饱和引起的平均气隙磁通密度的下降比较小,在工程上可以忽略不计。
如果转子磁路结构是各向异性情况就不同了。例如,选用内置式或埋入式结构,由于直轴和交轴磁阻的差异,通常是交轴磁阻小于直轴磁阻,电枢反应产生附加的磁阻(反应)转矩,出现电枢反应引起的转矩波动,同时也对电机其他性能产生不良影响。电机设计时宜采用增大转子交轴磁路磁阻,减少直轴和交轴磁阻的差异,例如设置隔磁槽,优化磁路结构来降低交轴电枢反应的不良影响。顺便指出,这是按无刷直流电机方波电流驱动方式运行的情况,如果按永磁交流同步电机正弦波电流驱动方式运行,采用矢量控制时,可利用此磁阻转矩提高电机的转矩密度,并改变了电机的机械特性。
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