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无刷直流电动机绕组接法的比较分析 HYPERLINK /products/brushless-dc-motor/ \o 无刷直流电机 无刷直流电机研制的早期，绕组的接线方式是三角形和星形。在小功率无刷直流电动机中绕组有采用三角形接法的，但在进一步理论分析中发现，采用星形接法的绕组要优于三角形接法的，前者的效率明显地高于后者。实际的样机验证，也证明这点。 ??? 本文将对 HYPERLINK /products/brushless-dc-motor/ \o 无刷直流电机 三相无刷直流电动机绕组星形接法和三角形接法在损耗、效率方面的问题进行分析，并且以具体样机实验结果，验证比较。 l三角形接法的无刷直流电动机环流损耗 ??? 在方波驱动的无刷直流电动机中，为了得到较大的输出力矩和减小转矩脉动，希望气隙磁场为矩形分布，绕组为集中式、整距绕组。而实际上气隙磁场是近似于矩形的，呈梯形状的。 1．1磁场分析 ? 在高性能无刷直流电动机的结构中，转子磁极采用稀土永磁体，气隙设计成均匀的，这样定、转子气隙磁场接近于矩形，如图1所示。 ??? 利用富氏级数分解成一系列谐波磁场，气隙磁场的大小可用下式表示： 式中：y——谐波次数； ??? Bm——磁场幅值； ??? Kyv——谐波系数，kvr=sin(π/2y×αi)。 ??? 此式说明气隙磁场强度是由基波磁场和各次谐波磁场叠加组成，而谐波磁场的谐波系数kyγ与极弧系数αi的大小有关。 ??? 当kyγ=0时，此次谐波系数为零，此次谐波磁场被消除。例如若想消除三次谐波，则：γ=3(三次谐波)时，k3y=sin(3π/2×αi)，求得：αi=o．6667。也即当磁极的极弧系数等于2／3时，理想上可以消除磁场中的三次谐波，但是这和无刷直流电动机要求宽的气隙平滑磁场相矛盾。所以一般无刷直流电动机的α1都选择在0. 8以上，这也是为了提供足够宽的气隙磁场，增加电机有效转矩和减小转矩脉动，所以从气隙磁场分析来讲，三次谐波磁场无法彻底消除。 1．2绕组分析 在 HYPERLINK /products/brushless-dc-motor/ \o 无刷直流电机 无刷直流电动机设计中，12槽2对极、18槽3对极的齿槽配合属于典型的集中式整距绕组设计。这种齿槽配合的绕组所产生的电动势，除了包含有基波外，还有许多谐波电动势，它们是同时产生的。谐波电动势可分为三种类型，一类是次数为3的倍数，最低次数为3次谐波；另一类次数是γ=6k-1，k=1、2、3…，最低次为5次谐波，再一类次数是γ=6k+1，k=1、2、3…，最低次为7次谐波。由于绕组是集中式整距绕组，所以三种谐波都存在，谐波次数越低，其电动势有效值就越大，各次谐波的电动势有效值得出后，即可得出相电动势的有效值Eφ为： 式中：Eφ1为基波电动势有效值，Eφ3、Eφ5、Eφ7…为3次、5次、7次谐波电动势有效值。 ??? 三相绕组在对称三相系统中各相电动势的三次谐波在时间上均为同相、且幅值相等： 当绕组接成星形时，绕组的线电压等于相电压之差，相减时三次谐波电动势互相抵消，所以线电势中不存在三次谐波电动势，也不存在三的倍数次谐波，故线电动势的有效值EL为： 在三角形连接中，三相的三次谐波电动势值和为3Eφ3,将在闭合三角形回路中形成环流，I3△，I3△=3Eφ3/3Z3，其中，3z3为回路的三次谐波阻抗。 由于3Eφ3完全消耗于环流的电压降I3φ·3z3，因此线电势中亦不会出现三次谐波电压。但三次谐波环流所产生的损耗会使电机效率下降、温升增高，所以无刷直流电动机三相绕组应采用星形连接，而不采用三角形连接。 2星形接法和三角形接法电机转矩系数和损耗分析 HYPERLINK /products/brushless-dc-motor/ \o 无刷直流电机 无刷直流电动机运行时和有刷直流电机以及交流电机不一样，它的三相绕组不是全部通电，而是轮流导通，例如对于两相导通星形三相六状态是：UV→UW→VW→U→WU→WV，六种导通状态。为了得到最大的转矩，导通的角度位置有着严格的规定。例如，对于两相导通星形三相六状态是：磁状态角为60O，功率开关器件导通角αZ为120O。为了方便分析，这里仍然只对磁势的基波分量和气隙磁场的基波分量形成的转矩情况进行分析。 2 1转矩系数分析 当 HYPERLINK /products/brushless-dc-motor/ \o 无刷直流电机 无刷直流电动机在某一磁状态中，转子磁密Bm和定子电枢磁势Fa均为常数(即不计电枢反应的影响)，且认为Fa为正弦量。 由电机学理论可知： 式中：M——电磁转矩。 2．1．1星形接法绕组磁势分析 当三相绕组为星形接法，全桥导通方式(三相六状态，二相导通)时，磁状态角αz=π/3电弧度，其合成电枢磁势如图2