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分数槽集中绕组电机的电枢反应

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点击次数:更新时间:2018-05-21 15:05:43

       上面基本上讨论的是整数槽情况,再来看分数槽电机的情况。分数槽集中绕组电机的电枢反应磁动势与整数槽电机不同,包含大量空间谐波,存在明显分次谐波。对永磁体的去磁或助磁情况也不同。但实际情况是电枢反应对永磁磁场的影响并不明显。

        先看一个Z/2p=12/10例子。这是分数槽集中绕组,每个齿绕一个线圈。对于双层绕组,绕组排列为: Aabbccaabbcc;对于单层绕组,绕组排列为A-b-C-a-B-c-。其中,大写字母表示正绕,小写字母表示反绕,符号一表示齿上无线圈。在图8-3a和b分别给出Z/2p=12/10双层绕组和单层绕组在A-B两相导通时的电枢反应磁动势分布图。如图所示,与整数槽不同,分数槽电机特别是集中绕组的分数槽电机,很难像图8-1所示的整数槽电机那样分解出直轴和交轴电枢反应。它们的电枢反应磁动势谐波分布如图8-5所示。

       有文献对一台12KW,36槽34极(q=3/17),磁体表面安装式外转子无刷直流电机进行了分析计算。对于双层绕组,绕组排列为Aaaaaabbbbbbccccccaaaaaabbbbbbeccccc。图8-3c表示36槽34极电机在两相通电时的电枢反应磁动势分布图。电枢反应磁动势分布呈现大量谐波。对它的磁动势谐波分析可以看出,两极波的谐波含量最大,其次是17对极谐波,再为p=17波的1.4872倍,p=19波的幅值则为P=17波的0.8947倍。由此可见,由电枢电流产生的电枢反应磁场中两极分次谐波是最强的。从电枢反应磁动势分布图也可以明显看出存在两极波。在图8-5给出三种12槽/10极无刷直流电机的电枢反应磁动势谐波分布图也可以明显看出存在两极波。这是分数槽集中绕组的单元电机在槽数为偶数时的情况。

在两相通电时分数槽集中绕组的电枢反应磁动势分布例子

图8-3在两相通电时分数槽集中绕组的电枢反应磁动势分布例子

 

         以上例子说明,集中绕组电枢反应磁场次谐波会使定子轭部磁通密度增加,带来附加的铁损耗。

         采用 ANSOFT的二维静态磁场分析计算软件 Maxwell2 D MAGNETOSTATIO分析计算13个转子位置的磁场,以求得每个位置下空载和负载时的平均气隙磁通密度,再由此计算出电磁转矩,以分析电机电枢反应对气隙磁通密度和电磁转矩的影响。由有限元计算结果,13个位置空载气隙磁通密度和负载气隙磁通密度数值平均值之间最大差只有2.5%。这说明电枢反应对空载磁场的影响并不明显。磁路设计计算时忽略电枢反应,近似认为负载气隙磁通密度与空载气隙磁通密度相等是合理的。

         采用有限元计算得到额定负载下13个位置的每极平均磁通量,再计算出电磁转矩值,13个位置电磁转矩的平均值为200.45Nm,其最大偏差点为第7点,偏差值为5.778Nm,仅为平均值的2.9%。这是在不考虑换相的情况下,一个状态角范围内由电枢反应和齿槽效应引起的转矩波动。这一波动量并不大,也就说明,电枢反应对分数槽集中绕组电机电磁转矩波动的影响也是可以忽略不计。

       参考文献[10]基于深槽集中绕组无刷电机的结构特点,采用镜像法,考虑了齿槽影响,建立了适合集中绕组无刷电机电枢反应的求解模型,推导了不同控制方式下的电枢反应磁场分布的解析表达式。结合一台18槽12极(q=1/2)外转子深槽实验电机进行计算,空载气隙磁通密度为0.3T时,当额定电流为10.5A,在三相六拍工作制下其电枢产生的最大直轴气隙磁通密度为0.0063T,仅为空载气隙磁通密度的2.1%。为此,在忽略电枢反应的条件下,对实验样机的稳态性能进行仿真分析,得到电流波形与实测电流波形吻合极好。这说明深槽集中绕组水磁电机的电枢反应较普通永磁电机小,在稳态分析时加以忽略在理论和实践上都是合理的。

       多槽多极集中绕组三相无刷电机,它的槽数Z和极数2p十分接近,一个磁极下的最大电枢反应发生在该磁极正对着一个齿的时刻,这显然与整数槽情况完全不同。在图8-5可以看到三种12槽/10极无刷直流电机的电枢反应磁场对永磁体的去磁或助磁情况,而且双层绕组和单层绕组电枢反应磁场也很不相同。

       对于双层绕组,一个线圈的匝数为1=3W/Z,这个齿上线圈产生的去磁(或助磁)磁动势表示为

F=wI=3WI/Z

       对于单层绕组,一个线圈的匝数为w=6W/Z,这个齿上线圈产生的去磁(或助磁)磁动势表示为

Fa =wl=6wl/Z

       显然,在相同电流负载下,单层绕组比双层绕组的电枢反应去磁(或助磁)磁动势要大一倍。

       如果槽数Z比较大,分散到一个齿的去磁磁动势自然就会变小,电枢反应对永磁磁场的总去磁效应就比较小。



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