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  文章标题:如何减小无刷电机的磁反应力矩
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作者:vivan2254  发表时间:2010-3-23 14:39:56
如何减小无刷电机的磁反应力矩
1 前言
      小型永磁无刷电机广泛用于oa、fa机器的驱动。在这一应用领域大多要求高精度恒速驱动,另外在低振动、低噪音等方面要求越来越高;因此除了要求电机电流产生的电磁力矩脉动要小外,还要求减小永磁磁场和铁心结构产生的磁反应力矩变化要小。
      本文综述减小永磁电机磁反应力矩的方法,特别剖析表面磁钢无刷电机,介绍如何从设计对就着手减小磁反应力矩。
2减小磁反应力矩方法概要
     永磁体的磁通会因磁路的导磁率的变化而有所增减,由于磁场的能量变化造成磁反应力矩产生正反方向的交替。因为导磁率的变化是由铁心槽和磁极位置的相互关系而产生的,所以减少导磁率的变化有助于降低磁反应力矩。根据这一观点减小磁反应力矩的方法可以简单地归纳如表1所示。下面对各种方法概要说明。
      上表中的第1种方法采用斜槽定子铁心在感应电机等中已广泛采用,但由于直接绕线生产难度大,所以永磁电机中采用磁钢斜充磁,将磁钢轴向分割倾斜错位组装。
      第2种方法为了缓解铁心突极端部的空隙突然变化的影响,像图1那样将铁心突极端部作成圆弧形或者倾斜形往往有效。
      第3种方法是使磁感应呈正弦波化,磁钢的形状作成中间厚两边薄的鱼糕状,改变磁钢和空隙的长度,这种方法在pm(永磁)交流伺服电机中已经采用(图2)。另外还可以像图3那样让磁钢的磁化方向呈规则性变化,(半面充磁、极向异性)这样在降低磁反应力矩的同时,还能增加磁场密度。
     第4种方法像图4、图5那样改变铁心突极的宽度或者磁钢的宽度、间距,能起到综合缓和端部变化的作用,可能得到斜槽同样的效果。
       第5种方法对于同样大小的磁反应力矩,发生的时间越短对于速度变化的影响就越小,这样可以用增加铁心的磁极数或者中间插入辅助极、辅助沟,使得磁反应力矩的发生率高频化、(短时间)这也是一种设想,但作者认为仅仅高频化不能取得良好的效果。
      第6种方法是插入辅助沟设想的延伸,在槽口位置插入辅助极,抵消槽口的影响,也能起到降低磁反应力矩的效果。但像图6那样没有线圈采用辅助磁极,会造成磁力线分流,力矩降低的结果,下面会介绍如何消除插入辅助沟的不利影响。
      第7种方法是不用辅助槽,只要磁极数和绕线槽数配合起来,也能达到磁反应力矩最小化的结果。但这时的磁极最少在8个以上。
      第8种方法是具有空隙绕线的平滑铁心方式,原理是使导磁率保持不变,这样可以完全不产生磁反应力矩。从结构上讲是没有问题的,但是磁体和绕线的成本上升了。
       综合考虑第6种方法和第7种方法最实用,这两种方法结构简单、不会过多降低磁通量:只要用插入小的辅助沟或者选择合适的磁极数和绕线槽组合就行了。下面就以这两种方式为基础,从理论和实用方面介绍改善磁反应力矩的方法。
如何让铁心槽产生的磁反应力矩最小
      一般利用磁钢和线圈激磁的电磁式电机产生的力矩,可以用全部磁能- wm的角度微分表示,如下式所示:
  
      如果考虑到磁反应力矩,wm是永磁体产生的磁能;它储存在磁钢和铁心内部以及空隙部。而磁钢内部的磁能基本是恒定的,如果铁心是高导磁率的话,那么铁心中的磁能就非常小;因此磁反应力矩tc就可以只用气隙部的磁能的角度微分来表示,如下式所示
 
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