環形鐵心型有限轉角電動機的電樞反應分析

袁永杰，李立娜，王佳鸝，馮 旭，嚴 亮

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

目前，連續旋轉的直流電動機已得到了廣泛的應用，但在一些特殊使用場合，如紅外成象、激光標識、激光雷達、光機掃瞄等系統卻需要一種只作往復擺動、體積小、精度高、壽命長、可靠性高的直流電動機。在這些特殊系統中，普通有刷直流電動機由于需要電刷和換向器，不但結構復雜而且可靠性不高，另外頻繁的往復擺動會造成電刷劇烈跳動，使得和換向器接觸不良，對系統造成失蹤脈沖，噪聲沖擊甚至導致系統振蕩［1］。無刷直流電動機使用電子換向取代了電刷和換向器的機械換向裝置，具有與有刷直流電動機相同的線性調節特性，并且可靠性高，但其控制系統需對電子換向進行信號處理，控制復雜，所需開關管數量較多，成本較高，且轉矩波動較大。這種情況下有限轉角電動機凸現了它的優勢。本文對環形鐵心型有限轉角電動機進行了電磁仿真分析和電樞反應分析，并通過樣機進行了試驗驗證。

1 基本結構及原理

環形鐵心型有限轉角電動機電樞(定子)為環形鐵心，在其上均勻繞制多匝線圈，轉子由永磁體和磁軛組成，如圖1所示。

圖1 有限轉角電動機原理圖

環形鐵心型有限轉角電動機的工作原理與普通永磁直流電動機相同，即通電繞組在磁鋼形成的磁場內受力旋轉。為保證產生連續同向的力，在規定旋轉區域內，使電樞繞組中通過的電流方向相同，由于繞組排布的原因，同向繞組僅在有限區域內，因此其轉子轉動范圍有限。另外，由于該電機是轉子磁鋼為運動部件，其受力方向與繞組方向相反。環形鐵心型有限轉角電動機的堵轉轉矩計算與連續旋轉的有刷直流電動機公式完全相同［2］，如下:

式中:T為電磁轉矩;p為極對數;a為并聯支路對數;I為繞組電流;N為繞組匝數;φ為電機主磁通。

根據該原理設計了一款環形鐵心有限轉角電動機，其結構圖如圖2所示。它由機殼、環形鐵心和繞組(電樞)、轉子磁軛和磁鋼(轉子)、軸承等零部件組成，結構簡單緊湊，可靠性高。

圖2 環形鐵心型有限轉角電動機結構圖

樣機性能參數如表1所示。

表1 樣機性能參數

2 環形鐵心型有限轉角電動機電樞反應理論分析

環形鐵心型有限轉角電動機的總磁通由轉子磁通和電樞磁通兩部分組成，通過有限元建模仿真，其轉子磁力線和定轉子合成磁力線分別如圖3和圖4所示。從圖3中可以看出，當電樞繞組中沒有電流時，即不存在電樞磁場的情況下，轉子磁場均勻分布。當電樞繞組中通電產生電樞磁場時，電樞磁場對轉子磁場產生了影響，即電樞反應，使得氣隙磁密為零的位置發生了偏移，如圖4所示。

圖3 轉子磁場磁力線

圖4 合成磁場磁力線

圖5 等效磁路圖

根據環形繞線型有限轉角電動機的基本結構和磁路走向，畫出等效磁路圖，如圖5所示。其中θ為轉子磁鋼方向與+X軸的夾角，FS為電樞半周磁勢，FR為轉子磁鋼磁勢，Rδ為氣隙磁阻，RS為半周電樞磁阻，RR為轉子磁阻，φ為電機主磁通，φm1和φm2為回路磁通。

根據克希荷夫定律，按照圖示參考方向，列出磁路方程:

整理得到氣隙總磁通φ:

從式(4)可以看出，隨著轉子位置的變化，即θ變化，總磁通發生變化，轉矩亦隨之改變。

4)電機總磁通的變化量與電樞磁勢相關，在轉子磁勢一定的情況下，電樞磁勢越大，主磁通的變化量就越大，轉矩波動越大。

由以上分析可知，在電機運轉過程中，由于電樞反應的原因，隨著轉子位置的變化，電機總磁通是在逐漸變化的，其反電勢和轉矩同樣隨之改變，即產生了轉矩波動。

3 電磁仿真分析

本文應用ANSYS公司的Maxwell 2D有限元電磁仿真軟件對環形繞線型有限轉角電動機進行了空載和負載兩種情況下的仿真分析。有限元模型如圖6所示，最外層為空氣，邊界條件采用了氣球邊界。設置轉子以恒定的轉速旋轉，電機空載反電勢如圖7所示。當繞組中沒有電流時，即不存在電樞反應時，反電勢在規定范圍內為恒定值。

圖6 有限元仿真模型

圖7 電機空載反電勢

電機繞組通恒定電流時，電機負載反電勢如圖8所示，獲得電機負載轉矩如圖9所示。

圖8 電機負載反電勢

圖9 電機負載轉矩

從圖中可以看出，負載情況下，即當電機電樞繞組內通電流時，隨著轉子位置的改變，電機轉矩和反電勢隨之變化，在規定的有限范圍內轉矩波動達4.2%，即電樞反應引起了電機轉矩的變化。

4 試驗驗證

目前對于轉矩波動的測試方法有反電勢法和堵轉轉矩法兩種。其中反電勢法是用轉臺以恒定的轉速拖動電機，測量電機輸出端的反電勢，以此來反映轉矩波動的情況。該測試方法沒有考慮到電樞反應對電機轉矩波動的影響，僅相當于電機空載反電勢，僅可以作為檢測電機繞線排布是否均勻、氣隙是否均勻等，而不能真實反映出電樞反應對電機的轉矩波動的影響。用該方法測試的樣機反電勢波形如圖10所示。

堵轉轉矩法是給電機繞組通以恒定電流，在不同位置下對電機進行堵轉，測試出堵轉轉矩，再進行轉矩波動的計算。該方法綜合考慮了環形鐵心有限轉角電動機電樞反應的影響，一個方向的測試結果如圖11所示。

圖10 樣機實測反電勢波形

圖11 實測電機轉矩隨位置變化情況

由于測試條件的限制，測試點為非極限位置，如圖11所示，轉矩波動約為2.7%。經計算可知在規定范圍內可達3.5%。轉矩波動與仿真分析接近，從圖中也可以看出電機轉矩隨位置變化的趨勢。

環形鐵心型有限轉角電動機電樞反應引起的轉矩波動是由該類型電機的工作原理和結構決定的，是該類型電機的固有特性。即只要存在電樞反應，就會存在轉矩波動，其轉矩波動的大小與電樞磁勢和定子磁勢相關，電樞磁勢相對于轉子磁勢越大，其轉矩波動就越大。

5 結 語

通過對環形鐵心型有限轉角電動機的磁路分析發現，由于電樞反應的影響，隨著轉子在規定范圍內旋轉，電機的總磁通是在逐漸變化的。當轉子運動到轉子磁場和電樞磁場正交時，即電樞磁場為交軸磁場，在不考慮磁路飽和情況下，電樞磁場對總磁通沒有影響。在其它位置，電樞磁場對轉子磁場起到增磁或去磁作用，總磁通產生變化，電機反電勢和轉矩隨之改變。

環形鐵心型有限轉角電動機只要存在電樞反應，就會引起轉矩波動。因此若需降低轉矩波動，可以通過減小定子磁勢，增大轉子磁勢，以此來減小電樞反應的影響。

［1］何松波.有限轉角電機［J］.微特電機，1976，4(3):16 －31.

［2］曹春，楊素香，黃宇峰，等.有限轉角電動機介紹及主要公式推導［J］.微特電機，2008，36(5):16 －17.

［3］湯蘊璆.電機學［M］.北京:機械工業出版社，2002.