不等厚磁极对永磁直流电动机电枢反应的影响
摘要：为了研究不等厚磁极结构对永磁直流电动机电枢反应和性能的影响，通过建立瞬态电磁场模型，利用时步有限元法对气隙磁场进行了计算。在此基础上，分析了不等厚磁极对抑制气隙磁场畸变和改善换向的效果。结果表明，采用不等厚磁极可以抑制气隙磁场畸变，减小电位差火化，但并不能降低换向区域的气隙磁密，起不到改善换向的作用。 0引 言 永磁直流电动机具有结构简单、体积小、效率高等优点，在国民经济各行各业得到了广泛应用。水磁直流电动机在负载运行时，电枢反应将使气隙磁场分布发生畸变，可能在换向器表面产生强烈的火花，造成换向器表面和电刷烧坏，导致电机无法正常运行。因此，在永磁直流电动机设计时，应寻找各种方法来尽量抑制其电枢反应。 文献[5]指出，利用不等厚磁极形成的不均匀气隙，可以有效抑制电枢反应引起的气隙磁场畸变，有利于改善换向。但其分析方法局限于定性说明，缺乏具体数据。目前还未见到有文献用电磁场数值计算的方法来研究不等厚磁极结构对永磁直流电动机电枢反应的影响。 本文首先讨论了电枢反应对永磁直流电动机性能的影响，然后应用电磁场有限元分析方法，通过数值计算，分析了采用不等厚磁极结构对抑制交轴电枢反应、改善永磁直流电动机性能的效果，说明了采用不等厚磁极可以抑制气隙磁场畸变，减小电位差火化，但并不能降低换向区域的气隙磁密，起不到改善换向的作用。 1电枢反应对电机性能的影响 永磁直流电动机在负载运行时，电枢绕组流过电流将产生电枢磁动势。当电刷位于几何中心线上时，电枢磁动势只有交轴分量。交轴电枢磁动势沿电枢表面呈三角形分布。当磁极无极靴时，在极弧部分．由于气隙较小且基本均匀，因此极靴下的电枢磁密随电枢磁动势的增大而正比增大；而在两极之间，虽然气隙较大，但由于空气的磁导率与永磁体的磁导率很接近，磁通密度并不急剧减小，仍随电枢磁动势的增大而上升，只是增长要缓慢一些。因此，交轴电枢反应磁场分布为近似三角形，而不是马鞍形，其最大磁通密度出现在交轴上。这是永磁直流电动机交轴电枢反应区别于电励磁直流电动机的一个显著特点。电枢齿未饱和时，整个磁路为线性，气隙磁场可由电枢反应磁场和主极磁场直接叠加而得到，如图1所示。其中，Fqx为交轴电枢磁动势，Bqx为交轴电枢反应磁密，B0为空载磁密，Bδ为负载磁密。 l .1电枢反应对气隙磁场畸变的影响
由图1可见，交轴电枢反应在半个磁极下具有增磁作用，在另半个磁极下具有助磁作用，使得每个磁极下的气隙磁场分布发生畸变，其畸变程度可用气隙磁场畸变系数Kd来衡量： 当电枢元件切割不均匀磁场时，就会感应出不均匀的电动势，使与这些元件相连接的换向片的片间电压也不均匀。当片间电压过高时，可能导致换向片间的绝缘产生表面放电，形成电位差火花。气隙磁场畸变越大，最大片间电压越高，就越容易产生电位差火花。在换向不利的情况下，电刷下的火花与电位差火花汇合在一起．随着换向器的旋转，在正、负电刷之间可能形成环火．严重时甚至可能导致电刷和换向器表面烧毁，并使电枢绕组受到损伤。 1．2电枢反应对换向性能的影响 当旋转的电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条支路时，在被电刷短接的过程中，元件内电流将发生改变方向的变化．从而实现换向。良好的换向是永磁直流电动机持久稳定运行的必要条件。 对于不装置换向极、电刷放置在几何中心线上的永磁直流电动机，换向区域的磁场只由电枢反应磁动势建立。在换向过程中，当换向元件切割磁力线时，将会感应出旋转电动势．并在换向元件中产生附加换向电流，进而引起换向火花，阻碍换向，严重时甚至烧毁电刷和换向器。 换向元件内的旋转电动势可用下式计算：ek=2NkBkLkγk （2）式中：Nk为换向元件的匝数；Bk为换向区域磁场的 磁通密度；L为换向元件每一元件边的有效长度；γk为电枢表面的线速度。 文献[5]通过试验指出，采用不均匀气隙结构可以有效抑制电枢反应引起的气隙磁场畸变，改善换向。本文分析发现，若想改善换向性能，需减小换向元件中的附加换向电流，减小旋转电动势ek利用不等厚磁极结构抑制电枢反应时，电机的Nk、γk、Lk均不变，由式(2)可知，如要削弱旋转电动势，则必须减小换向区域的磁通密度。为此，本文将建立不同程度不等厚磁极的永磁直流电动机有限元模型，分析计算电机负载运行时气隙磁场畸变情况和换向区域磁密变化规律。 2不等厚磁极结构 对于常规的永磁电机而言，磁极的内外径同心，磁极厚度和气隙大小都是均匀的。当采用不等厚磁极结构时，磁极内外径不同心，磁极外径圆心和电枢外径圆心重合，为O1，磁极内径圆心为O2，磁极厚度从磁极中心线处的hm连续光滑减小到极尖处的hm1如图2所示。O2偏离O1的距离不同，则气隙不均匀程度也不同。
为了下面叙述方便，本文首先定义hd为磁极厚度不均匀系数： 3电磁场计算模型 为了研究永磁直流电动机负载运行时电枢反应对气隙磁场的影响，本文采用瞬态电磁场模型，应用时步有限元法进行求解。首先假设： (1)忽略位移电流，认为电磁场足似稳场； (2)不考虑端部效应，设电机磁场按二维分布； (3)永磁材料用等效面电流模拟。 取整个电机为求解区域，用矢量磁位Az进行求解，则瞬态电磁场的边值问题可表述为： 4实例计算 本文以一台永磁直流电动机为例进行计算，其基本参数如表l所示。 表1 额定数据及结构参数 首先建立其空载和额定负载运行时的瞬态电磁场模型，仿真计算其稳定运行后的磁场分布。然后对永磁体厚度进行不均匀处理，建立hd分别为O.25、O.5、0.75和1时的四个不等厚磁极计算模 型，如图3所示。 图3小等厚磁极模型 根据所建立的永磁直流电动机模型，通过计算，分别绘制出在空载和额定负载稳定运行后某一时刻的气隙磁密波形图．如图4所示。 根据图4，分别求出空载时hd=0对应气隙磁密Bδ以及负载时hd>0的最大气隙磁密Bδmax代人式(1)计算得到气隙磁场畸变系数，如表2所示。 表2气隙磁场畸变系数 从表2可以看出，随着磁极厚度不均匀系数的增大，气隙磁场畸变系数将减小，说明采用不等厚磁极可以削弱气隙磁场畸变，减小最大片间电压，抑制电位差火花和环火。但同时也可看出，当hd从0.25继续增大时，气隙磁密畸变系数仅略有减小，对进一步抑制气隙磁场畸变的效果不再明显。另外，通过计算得出，增大磁极厚度的不均匀程度，将引起每极磁通量的减小。因此在实际应用中，需合理选择磁极的不均匀程度，达到既可保持每极磁通量基本不变，又可减小交轴电枢反应引起的气隙磁场畸变、抑制电位差火花和环火的效果。 根据图4计算得到的气隙磁密波形图，还可进一步求出在不同hd时换向区域(即电枢的几何中性线处)的平均气隙磁密，如图5所示。 由图5可以看出，当hd从0～0.5变化时，换向区域的气隙磁密有上升的趋势；从O.5—1时，又逐渐下降。总体来看，采用不等厚磁极后，换向区域的气隙磁密并没有得到明显降低。这说明，采用不等厚磁极并不能减小由电枢反应在换向区域产生的磁场，不会减小旋转电动势，因此也起不到改善换向的作用。 5结语 本文首先从理论上分析了永磁直流电动机电枢反应对气隙磁场及电机性能的影响，然后建立了永磁直流电动机空载和负载运行的瞬态电磁场模型，应用时步有限无法计算了不同程度不等厚磁极对抑制电枢反应的效果。结果表明，采用一定程度的不等厚磁极，可以抑制电枢反应造成的气隙磁场畸变，抑制电位差火花和环火；但并不能有效降低换向区域的气隙磁密，起不到改善换向的作用。另外，选用不等厚磁极会减小气隙磁通，对电机性能带来其它 不利影响。因此，实际中应综合考虑各种因素，合理选用磁极的不均匀程度来抑制电枢反应。
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