无刷直流电动机绕组接法的比较分析

    曹春

    (中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

    摘要：概述了在元刷直流电动机设计中三相绕组星形接法和三角形接法的区别，通过损耗和转矩系数的分析计算，比较了两者的优劣，得出星形接法的无刷直流电动机效率优于三角形接法的无刷直流电动机。

    无刷直流电动机研制的早期，绕组的接线方式是三角形和星形。在小功率无刷直流电动机中绕组有采用三角形接法的，但在进一步理论分析中发现，采用星形接法的绕组要优于三角形接法的，前者的效率明显地高于后者。实际的样机验证，也证明这点。

    本文将对三相无刷直流电动机绕组星形接法和三角形接法在损耗、效率方面的问题进行分析，并且以具体样机实验结果，验证比较。

l三角形接法的无刷直流电动机环流损耗

    在方波驱动的无刷直流电动机中，为了得到较大的输出力矩和减小转矩脉动，希望气隙磁场为矩形分布，绕组为集中式、整距绕组。而实际上气隙磁场是近似于矩形的，呈梯形状的。

1．1磁场分析

  在高性能无刷直流电动机的结构中，转子磁极采用稀土永磁体，气隙设计成均匀的，这样定、转子气隙磁场接近于矩形，如图1所示。

    利用富氏级数分解成一系列谐波磁场，气隙磁场的大小可用下式表示：

式中：y——谐波次数；

    B_m——磁场幅值；

    K_yv——谐波系数，k_vr=sin(π/2y×αi)。

    此式说明气隙磁场强度是由基波磁场和各次谐波磁场叠加组成，而谐波磁场的谐波系数k_yγ与极弧系数α_i的大小有关。

    当k_yγ=0时，此次谐波系数为零，此次谐波磁场被消除。例如若想消除三次谐波，则：γ=3(三次谐波)时，k_3y=sin(3π/2×α_i)，求得：α_i=o．6667。也即当磁极的极弧系数等于2／3时，理想上可以消除磁场中的三次谐波，但是这和无刷直流电动机要求宽的气隙平滑磁场相矛盾。所以一般无刷直流电动机的α₁都选择在0. 8以上，这也是为了提供足够宽的气隙磁场，增加电机有效转矩和减小转矩脉动，所以从气隙磁场分析来讲，三次谐波磁场无法****消除。

1．2绕组分析

在无刷直流电动机设计中，12槽2对极、18槽3对极的齿槽配合属于典型的集中式整距绕组设计。这种齿槽配合的绕组所产生的电动势，除了包含有基波外，还有许多谐波电动势，它们是同时产生的。谐波电动势可分为三种类型，一类是次数为3的倍数，****次数为3次谐波；另一类次数是γ=6k-1，k=1、2、3…，****次为5次谐波，再一类次数是γ=6k+1，k=1、2、3…，****次为7次谐波。由于绕组是集中式整距绕组，所以三种谐波都存在，谐波次数越低，其电动势有效值就越大，各次谐波的电动势有效值得出后，即可得出相电动势的有效值E_φ为：

式中：E_φ1为基波电动势有效值，E_φ3、E_φ5、E_φ7…为3次、5次、7次谐波电动势有效值。

    三相绕组在对称三相系统中各相电动势的三次谐波在时间上均为同相、且幅值相等：

当绕组接成星形时，绕组的线电压等于相电压之差，相减时三次谐波电动势互相抵消，所以线电势中不存在三次谐波电动势，也不存在三的倍数次谐波，故线电动势的有效值E_L为：

在三角形连接中，三相的三次谐波电动势值和为3E_φ3,将在闭合三角形回路中形成环流，I_3△，I_3△=3E_φ3/3Z₃，其中，3z₃为回路的三次谐波阻抗。

由于3E_φ3完全消耗于环流的电压降I3_φ·3z₃，因此线电势中亦不会出现三