集中绕组永磁无刷电动机

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1、集中绕组永磁无刷电动机刘利宏 淮安信息职业技术学院摘要：本文从永磁无刷电动机的绕组特点分析出发，介绍集中绕组永磁无刷电动机绕组构成及电机转矩的计算方法。关键词：永磁无刷电动机 集中绕组 转矩1、永磁无刷电动机的应用永磁无刷电动机由于使用了高性能永磁材料做磁极，电机体积小、重量轻、效率高，其转矩特性与直流电机一样，具有调节控制方便、调速范围广、动态响应等特点。因此，愈来愈受到重视，它不但能代替一般的直流电动机使用，而且在数控机床、加工中心、智能机器人等要求高精度的应用场合，可作为交流伺服电动机得到广泛的应用。随着家电工业的发展，由于永磁无刷电机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家电变频

2、的需要。在空调、冰箱、洗衣机等产品中，逐步由常规的单相异步电动机驱动而向永磁无刷电机变频调速发展。因此可以看到，永磁无刷电动机有广阔的发展前景。近些年来，永磁无刷电机在绕组结构方面，有了显著的改变，就是从原来常用的三相分布绕组改变为三相集中绕组。转子、永久磁铁定子定子槽(b)定子集中绕组(a)定子分布绕组图1新旧型无刷电机的比较图1（a）为三相分布绕组，它的定子槽数多，绕组节距接近一个极距。图1（b）为三相集中绕组，它的定子槽数少，每对极只有3个槽（甚至更少）。每相绕组集中放置在相邻的两个槽内，绕组节距接近集中绕组的优点是绕组端接部分缩短，导线用量减少，绕组线圈电阻降低，铜耗减少，电机效率提高

3、，成品降低，制造周期缩短。但是集中绕组也带来一定的缺点，主要是电机的绕组因数减小，定子磁动势中谐波含量增加及定子齿、槽对磁场分布的影响增大，使电机的脉动转矩增大。本文将针对集中绕组的特点，重点介绍其绕组构成及电机转矩的计算方法。2、集中绕组永磁无刷电动机的绕组构成2.1典型的集中绕组典型的集中绕组是电机一对极内只有三个定子齿、槽，定子槽数Q与极对数p的关系为Q/p=3，三个齿上套三个线圈，分别属于A、B、C三相，多对极的电机，具有p组线圈，可以将他们串联或并联构成三相绕组。BA123456CXYZ图2整数槽集中绕组连接图图2为极对数p=2，定子槽数Q=6时三相绕组的连接图，图中表示二对极下有二

4、组三相线圈，把每相的二个线圈串联构成了三相绕组，其中1、4线圈串联后构成A相，2、5线圈串联构成B相，3、6线圈串联构成C相。这种绕组的节距为短距，节距系数相邻两槽的电角度可以计算电机的短距因数：；分布因数： (因为是集中绕组)；绕组因数：Kdp1=Kp1Kd1=0.866。可见，其绕组因数较低，对电机的感应电动势机及基波磁动势削弱较多。为了提高绕组因数，常采用分数槽集中绕组。22分数槽集中绕组这种绕组的特点是电机每对极内包含的槽数小于3，是一个分数Q/p3，故称为分数槽绕组，但定子总槽数必须是3的倍数，即Q/3=整数，才能构成三相对称绕组。这种绕组必须先画出槽导体电动势相量图，才能确定线圈如

5、何分配构成三相对称的绕组，举例说明如下：电机的极对数P=11，定子槽数Q=21，画出三相绕组图。由于极对数多，电机的转速n=60f/p=272.73r/min，是一种低速电机，如用于电动自行车上。定子上相邻两槽的电角度 绕组节距 y1=1极 距 =q/2p节距系数 y=下面首先画出定子上线圈产生的电动势相量图。1235791113151719212468101214161820图3线圈电动势相量图图3中表示21个线圈产生的电动势相量，如果把双数的电动势相量反向，如图中2线圈产生的电动势相量为2号，则反向的电动势相量为2号，它将位于1、3两个电动势相量之间。共可得到10个反向电动势相量。将11个

6、正向电动势相量和10个反向电动势相量分为对称的三组，每组串联即可组成对称的三相电动势。A相由 1、2、3、4、5、6、7等相量组成。B相由 15、16、17、18、19、20、21等相量组成。C相由 8、9、10、11、12、13、14、等相量组成。A1234567X图4分数槽绕组一相绕组连接图根据电动势相量图3，可以构成三相绕组，图4表示A相绕组的构成，同理可画出B相及C相。以下计算绕组因数：短距因数：分布因数：由图3可知1与2相量的夹角为=8.571430，每组串联线圈数目q=7绕组因数：Kdp1=Kp1Kd1=0.953。可见，分数槽绕组的绕组因数比整数槽时高得多。3、集中绕组永磁无刷电

7、动机的转矩分析永磁无刷电机传动系统一般由逆变器、永磁同步电动机、控制系统和位置传感器四部分组成，逆变器的通电方式往往采用三相六拍导通方式，每一瞬间有二相同时通电，有一相不通电，每一相绕组均有导通后1200，断电600，然后再导通1200，断开600。在这种通电方式下，定子绕组将产生一个步进式的旋转磁场，从而造成电机的转矩除平均值外，还存在脉动转矩。对于集中绕组永磁无刷电动机，由于每对极的定子槽数很少，在电机转子转动时，由于定子槽数开口引起的气隙磁导变化影响较大，因此这种电机还存在由于定子齿、槽变化而引起的脉动转矩。对于一般永磁无刷电动机，计算转矩的方法是将三相系统转换到二相d-q坐标系统，将定

8、子电流分解为id、iq，可得转矩公式如下：式中，f：永磁体产生磁链 id 、iq ：定、转子电流的 d 、q轴分量 Ld 、Lq ：d 、q轴电感转矩由二部分组成，第一项为主转矩，由定子 q 轴电流与永磁体磁链作用产生；第二项为磁阻转矩。由于 d 、q轴磁阻不同产生。 但是，上述公式是计算了基波磁动势作用下电机产生的平均转矩，不能计算电机的脉动转矩，对于集中绕组永磁无刷电动机，可采用由电机磁场储能对转子位移的偏导数求得电机转矩，其表示式为：式中：p为电机极对数 Wm 为电机的磁场储能 Q 为电机的转子的位移角从上式公式出发可以推导出双边励磁（包括永磁体电机）的转矩公式：式中：i10为定子电流L

9、11为定子绕组自感12为永磁体在定自绕组中产生的磁链Wm2为永磁体产生的电机内磁场能量第一项：定子电流产生的磁阻转矩，对表面永磁电机，转子转动时L11不变，转矩为0，对内埋式永磁电机L11会变，可产生磁阻转矩。第二项：定子电流与永磁体产生磁链相互作用，产生电机的主转矩。第三项：永磁体产生的磁阻转矩，转子转动时，齿槽对Wm2变化将会产生脉动转矩。下面通过一个例子，计算电机的转矩一台表面永磁的无刷电机样机参数如下：定子内径：D i =80mm，气隙长度=0.5mm，铁心长Lc=40mm，极对数p=4，定子槽数Q=12，定子齿度Lt=18mm，定子槽宽Ls=2.94mm运行时定子每相安匝AT=200

10、A，永磁体产生每极等效安匝Fm1=800A，Fm3=266A。经计算，可得到电机的转矩波形如图5所示0.050.1-0.05-0.1034567210电角度(rad)脉动转距(Nm)(a)负载转距(Nm)0.7250.7750.6250.5750.67534567210电角度(rad)(b)图5集中绕组永磁无刷电动机转矩波形图图5（a）为考虑永磁体三次谐振磁动势作用下由于定子齿、槽变化产生脉动转矩。对于永磁体基波磁动势，它所产生齿、槽脉动转矩为0。图5（b）为电机负载运行时考虑永磁体三次谐波磁动势作用下产生的总电磁转矩，它是在平均电磁转矩上叠加六次谐振脉动转矩。可见，集中绕组永磁无刷电动机由于

11、谐波磁动势及齿、槽的影响，会产生较强的脉动转矩。在设计电机时需要认真考虑，采取措施，避免脉动转矩过大，影响电机运行性能。参考文献：1. 朱东起 赵争鸣 孙旭东，电工高新技术丛书 第6分册 电动机的新发展M北京：机械工业出版社，20002. 唐任远等著，现代永磁电机理论与设计M北京：机械工业出版社，19973. 吴敬爱 朱东起 姜新超，集中绕组永磁无刷电机的转矩研究J电工电能新技术2002.34. 冯垛生，家用电器应用变频技术动向J变频器世界，2001.75. Kazuo Ohnish Iwao Sugiyama Fumio Tajima ，Reduction of cogging torque in permanent magnet motorsMJapan： JIEE IAS，1994作者简介：刘利宏1966 ，男，江苏宿迁人，淮安信息职业技术学院 讲师、工程师发表于微特电机2004.5期 中文核心期刊