袁永杰，李立娜，王佳鸝，馮 旭，嚴(yán) 亮

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

目前，連續(xù)旋轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)已得到了廣泛的應(yīng)用，但在一些特殊使用場合，如紅外成象、激光標(biāo)識、激光雷達(dá)、光機(jī)掃瞄等系統(tǒng)卻需要一種只作往復(fù)擺動(dòng)、體積小、精度高、壽命長、可靠性高的直流電動(dòng)機(jī)。在這些特殊系統(tǒng)中，普通有刷直流電動(dòng)機(jī)由于需要電刷和換向器，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且可靠性不高，另外頻繁的往復(fù)擺動(dòng)會造成電刷劇烈跳動(dòng)，使得和換向器接觸不良，對系統(tǒng)造成失蹤脈沖，噪聲沖擊甚至導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩［1］。無刷直流電動(dòng)機(jī)使用電子換向取代了電刷和換向器的機(jī)械換向裝置，具有與有刷直流電動(dòng)機(jī)相同的線性調(diào)節(jié)特性，并且可靠性高，但其控制系統(tǒng)需對電子換向進(jìn)行信號處理，控制復(fù)雜，所需開關(guān)管數(shù)量較多，成本較高，且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。這種情況下有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)凸現(xiàn)了它的優(yōu)勢。本文對環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了電磁仿真分析和電樞反應(yīng)分析，并通過樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本結(jié)構(gòu)及原理

環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)電樞(定子)為環(huán)形鐵心，在其上均勻繞制多匝線圈，轉(zhuǎn)子由永磁體和磁軛組成，如圖1所示。

圖1 有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)原理圖

環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)的工作原理與普通永磁直流電動(dòng)機(jī)相同，即通電繞組在磁鋼形成的磁場內(nèi)受力旋轉(zhuǎn)。為保證產(chǎn)生連續(xù)同向的力，在規(guī)定旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，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(qū)域內(nèi)，因此其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有限。另外，由于該電機(jī)是轉(zhuǎn)子磁鋼為運(yùn)動(dòng)部件，其受力方向與繞組方向相反。環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩計(jì)算與連續(xù)旋轉(zhuǎn)的有刷直流電動(dòng)機(jī)公式完全相同［2］，如下:

式中:T為電磁轉(zhuǎn)矩;p為極對數(shù);a為并聯(lián)支路對數(shù);I為繞組電流;N為繞組匝數(shù);φ為電機(jī)主磁通。

根據(jù)該原理設(shè)計(jì)了一款環(huán)形鐵心有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。它由機(jī)殼、環(huán)形鐵心和繞組(電樞)、轉(zhuǎn)子磁軛和磁鋼(轉(zhuǎn)子)、軸承等零部件組成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性高。

圖2 環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

樣機(jī)性能參數(shù)如表1所示。

表1 樣機(jī)性能參數(shù)

2 環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)理論分析

環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)的總磁通由轉(zhuǎn)子磁通和電樞磁通兩部分組成，通過有限元建模仿真，其轉(zhuǎn)子磁力線和定轉(zhuǎn)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(dāng)電樞繞組中沒有電流時(shí)，即不存在電樞磁場的情況下，轉(zhuǎn)子磁場均勻分布。當(dāng)電樞繞組中通電產(chǎn)生電樞磁場時(shí)，電樞磁場對轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生了影響，即電樞反應(yīng)，使得氣隙磁密為零的位置發(fā)生了偏移，如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)子磁場磁力線

圖4 合成磁場磁力線

圖5 等效磁路圖

根據(jù)環(huán)形繞線型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和磁路走向，畫出等效磁路圖，如圖5所示。其中θ為轉(zhuǎn)子磁鋼方向與+X軸的夾角，F(xiàn)S為電樞半周磁勢，F(xiàn)R為轉(zhuǎn)子磁鋼磁勢，Rδ為氣隙磁阻，RS為半周電樞磁阻，RR為轉(zhuǎn)子磁阻，φ為電機(jī)主磁通，φm1和φm2為回路磁通。

根據(jù)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(zhuǎn)子位置的變化，即θ變化，總磁通發(fā)生變化，轉(zhuǎn)矩亦隨之改變。

4)電機(jī)總磁通的變化量與電樞磁勢相關(guān)，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩波動(dòng)越大。

由以上分析可知，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于電樞反應(yīng)的原因，隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，電機(jī)總磁通是在逐漸變化的，其反電勢和轉(zhuǎn)矩同樣隨之改變，即產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

3 電磁仿真分析

本文應(yīng)用ANSYS公司的Maxwell 2D有限元電磁仿真軟件對環(huán)形繞線型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了空載和負(fù)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(shè)置轉(zhuǎn)子以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)空載反電勢如圖7所示。當(dāng)繞組中沒有電流時(shí)，即不存在電樞反應(yīng)時(shí)，反電勢在規(guī)定范圍內(nèi)為恒定值。

圖6 有限元仿真模型

圖7 電機(jī)空載反電勢

電機(jī)繞組通恒定電流時(shí)，電機(jī)負(fù)載反電勢如圖8所示，獲得電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩如圖9所示。

圖8 電機(jī)負(fù)載反電勢

圖9 電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩

從圖中可以看出，負(fù)載情況下，即當(dāng)電機(jī)電樞繞組內(nèi)通電流時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子位置的改變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和反電勢隨之變化，在規(guī)定的有限范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)達(dá)4.2%，即電樞反應(yīng)引起了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

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

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩法是給電機(jī)繞組通以恒定電流，在不同位置下對電機(jī)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)，測試出堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，再進(jìn)行轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的計(jì)算。該方法綜合考慮了環(huán)形鐵心有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)的影響，一個(gè)方向的測試結(jié)果如圖11所示。

圖10 樣機(jī)實(shí)測反電勢波形

圖11 實(shí)測電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨位置變化情況

由于測試條件的限制，測試點(diǎn)為非極限位置，如圖11所示，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)約為2.7%。經(jīng)計(jì)算可知在規(guī)定范圍內(nèi)可達(dá)3.5%。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與仿真分析接近，從圖中也可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨位置變化的趨勢。

環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是由該類型電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)決定的，是該類型電機(jī)的固有特性。即只要存在電樞反應(yīng)，就會存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的大小與電樞磁勢和定子磁勢相關(guān)，電樞磁勢相對于轉(zhuǎn)子磁勢越大，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)就越大。

5 結(jié) 語

通過對環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)的磁路分析發(fā)現(xiàn)，由于電樞反應(yīng)的影響，隨著轉(zhuǎn)子在規(guī)定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的總磁通是在逐漸變化的。當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子磁場和電樞磁場正交時(shí)，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(zhuǎn)子磁場起到增磁或去磁作用，總磁通產(chǎn)生變化，電機(jī)反電勢和轉(zhuǎn)矩隨之改變。

環(huán)形鐵心型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)只要存在電樞反應(yīng)，就會引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因此若需降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，可以通過減小定子磁勢，增大轉(zhuǎn)子磁勢，以此來減小電樞反應(yīng)的影響。

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

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

［3］湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.