钕铁硼永磁无刷直流电动机的磁场分析
林德芳 （中国科学院电工研究所）
【摘 要】永磁无刷直流电动机磁场分布的定量确定对电机性能的预测极为重要。文中通过电磁场理论分析精确预测电机各部分磁场分布和气隙磁通密度波形，并研究了磁体磁化方向、极对数、极弧系数和气隙长度对磁场和气隙磁通密度分布的影响，进行了有限元分析结果与实测值的比较，计算值和试验值较吻合。
【叙 词】钕铁硼系永磁材料无刷直流电动机磁场分析
l引言
无刷直流伺服电机正在急速地取代传统的有刷直流伺服电机，主要是前者具有明显的优点：运行可靠，采用逆变器进行电子换向，取消机械换向器和电刷，便于高速运行；结构简单，维护方便，寿命提高；无电火花，不引起无线电干扰；热源（定子）在外，散热条件好；转子惯量小，响应快。但无刷电机的电枢磁场为非圆形跳跃式旋转磁场，存在较大的转矩波动，而电机磁场输出转矩和转矩波动，很大程度上取决于气隙磁通波形。本文通过电磁场理论的数值分析，定量分析直流无刷电机在不同负载情况下的气隙磁密分布，同时对两种典型的转子永磁磁路结构下的各部分磁场分布进行了分析比较，为电机的合理设计和提高电机性能提供了依据。
2研究模型
永磁无刷直流伺服电动机砑究模型如图1所示，电机不同介质部分及坐标系表示在图中
对于二维场，可不考虑磁化强度丽的z轴分量，而磁体周围存在的面电流分布。仅为z轴方向与磁体几何形状以及平行定向与径向定向这两种情况下的磁化方向有关。磁化强度与面电流分布的关系如下：
转子磁钢的磁化方向对磁场分布有影响，这些影响又反过来制约电机的性能。根据上述研究模型，忽略套环，通过有限元磁场分析，获得永磁无刷直流伺服电机磁场分布如图2所示。平行定向即磁化方向平行于瓦形磁体的中心线，如图2a所示。沿磁化体表面ab与cd的电流层方向相反，其大小为：
由式(4)可得：
沿k边和ad边的磁化强度矢量薪和法向单位矢量是连续变化的，其变化的电流层可用下式表示：
1．永磁直流伺服电动机2．永磁交流伺服电动机
径向定向的磁化强度矢量动的瓦形磁体各点均为径向，其电流层为：
沿ad与cd边，夹角与α无关，恒为90度，其电流层为：
图3表示永磁直流电机与永磁交流电机在不同极弧系数αp时，径向与平行定向的有效磁通比值（φr／φp)和极数p的关系。
由图3可知，对于αp=0. 6～0.8的2极直流电机，φr比φp高百分之十七至百分之三十四，随着极数增加，两者趋于接近。相反，对于αp≈1的4极或4极以上交流电机，φr比φp增加百分之四至百分之十。
3空载和负载下的磁场分布
电枢反应，即电机在负载下，电枢磁场对主磁场的影响。带极靴的隐板结构能给电枢反应去磁磁势提供通路，故电枢反应对磁钢的去磁作用较小。凸极结构，由于磁钢面向气隙，电枢反应直接作用于磁钢，如果磁路设计不当，负载过大，将会使磁钢产生不可逆去磁。对直流有刷电机而言，电刷处于几何中心线上，电枢反应磁场与主磁场正交，产生交轴电枢反应，在磁路不饱和时，其作用仅使气隙磁场发生畸变，只有当电刷不在几何中心线上，才产生电枢反应直轴分量。但无刷直流电机情况比较复杂，电枢反应与磁路饱和程度、电机转向、电枢绕组联结方式、导通顺序和磁状态角大小有关，因此，通过有限元磁场分析，确定在负载下电枢反应对磁场分布的影响，很有实际意义。
图4表示转矩为3. 5nm，6极钕铁硼永磁无刷直流电 |
