電動推桿

觀察表5-8和表5-11發現,與Z為偶數的Z/P組合相比,Z為奇數的Z/P組合更有勢:有較多的選擇機會,有較高繞組系數,有較大LCM,即齒槽轉矩較小?但是,Z為奇數的Z/p組合不推薦使用,因為它們存在不平衡徑向磁拉力(UMP)問題?

  表5-13是Z為奇數單元電動推桿雙層繞組排列表,注意表中有*的組合,它們是符合Z0=2po±1的基本組合?觀察表5-13繞組排列發現,這些有*組合的繞組排列有相同規律:沿著電動推桿氣隙圓周360°分為三個區,每相線圈集中到約120°的一個區內?這樣,對每一相繞組來說,在氣隙圓周上的分布是偏向一邊的,不平衡的?

  在徑向磁場電動機氣隙中,電磁效應產生的切向力?徑向力和磁致伸縮力都會引起電磁噪音?切向力產生定子和轉子之間的有用電磁轉矩?而徑向力是在定子和轉子之間的吸引力,磁致伸縮力在磁場的方向對鐵心的拉伸力?徑向力是徑向磁場永磁電動機電磁噪音的主要來源?在電動推桿運轉時,偏置的相繞組產生偏置的定子電樞反應磁場,它和在氣隙中永磁轉子產生的磁場合成為不平衡的合成磁場,產生不平衡的徑向磁應力,稱為不平衡徑向磁拉力(UMP)?隨著電動推桿的換相,這種不平衡徑向磁拉力是旋轉的,每經過一個電氣換相周期個狀態),不平衡徑向磁拉力旋轉一周,其頻率為電動機轉子旋轉頻率的p倍,引起電動推桿高頻振動和噪聲?如果轉子在機械上還存在偏心,振動和噪聲將加劇?

  舉例來說,參考文獻[8]針對一臺Z/2p=15/14電動推桿用有限元法得到電動推桿通電時的徑向磁拉力分布圖(見圖5-10),顯示出明顯的不平衡的徑向磁拉力,會引起定子(和轉子)的單向偏移?所以該文認為:不宜選取那些槽數和極數接近而槽數是奇數的組合,如Z/2p=9/8，15/14?21/22等?

  為了解決這個問題,可考慮采取如下措施:

1.優化電動推桿設計參數,降低UMP和它的影響

  例如?為設計高性能硬盤,解決原先采用的9/8組合的硬盤主軸電動機不平衡磁拉力起振動和徑向跳動已經變得十分迫切?參考文獻[11]提出降低UMP引起振動的堅固設計槽集方法?通過優化電動推桿設計參數,使UMP影響減到最少?并注意提高制造質量,降低如槽口分布制造偏差,和減少由于磁鋼磁化工裝和磁化過程引起轉子磁通密度分布的不平衡?

  日本東方馬達株式會社在開發小型無刷直流電動推桿時,對比了幾種9槽電動推桿方案,指出Z2P=9/8和9/10方案在繞組系數和齒槽轉矩方面有較高性能,但是它們會產生徑向不平能產生衡電磁力,可能產生嚴重的振動和噪聲?采用有限元法分析結果,運行時徑向不平衡電磁力變化頻率是轉子旋轉頻率的P倍,發現在相同電磁轉矩條件下9/8電動推桿產生的徑向不平衡電決磁力比9/10電動推桿產生的徑向不平衡電磁力大許多,約4倍?該公司在42mm機座號小型無刷電動推桿新產品中改用了9/10槽極配合方案?并且在電子驅動器采用了正弦波驅動方式,進和槽口步降低電動推桿的振動和噪聲(12別采用有限元

  2.改為采用Z為偶數的槽極組合

  著名硬盤制造商昆騰公司早在1997年就發現,過去它們的硬盤無刷電動機采用的9/8弧比是組合存在不平衡徑向磁拉力(UMP)問題,影響硬盤機性能的提高?昆騰公司將他們的硬矩峰-盤無刷電動機方案改換為12/10組合,以提高硬盤機工作的平穩性,并申請了美國專利?

  應當指出,上述關于Z為奇數的Z/P組合存在不平衡徑向磁拉力(UMP)問題,只是合附近對于單元電動推桿數t=1的組合(即表5-13中帶*的組合)才存在?所以,可采取下面兩個途徑回避不平衡徑向磁拉力問題

  (1)選擇多個單元電動推桿組合

  對于表5-13中帶*的Z0為奇數的單元電動推桿,如果取單元電動推桿數t≥2,對應的Z/P組合并不存在不平衡徑向磁拉力(UMP)問題?例如Z/p=18/10組合,它由兩個9/5組合單元電動推桿組成,即t=2,參見表5-15,繞組分布沒有不平衡問題?這樣,可參見表5-3,選擇那些單元電動推桿是9/4,9/5,15/7,15/8,21/10,21/11…的組合?這些組合由于其單元電動推桿的Z0為奇數,具有較高繞組系數,較大LCM,較小齒槽轉矩的優點?表5-12給出了這樣的36例子,第1和第2行有相同槽數,極數也相近,9/4的單元電動推桿是Z?為奇數的組合,則有較小的齒槽轉矩?繞組系數方面,Z0/Po=12/5的K?=0.933,而Z0/po=9/4的K?=0.945,稍大?

  (2)選擇非基本組合的其他組合

  帶*的組合是Z為奇數的Z/P組合中的基本組合,即符合Z0=2Po±1的組合,如表5-3所示,對于Z≥21,槽數Z為奇數的每個Z列中,除了兩個基本組合外,還有其他的Z/P組合可以,選擇?雖然它們的繞組系數不如基本組合高,但繞組分布已不存在不平衡徑向磁拉力問題?參見表5-13,如21/8,21/13,27/10,27/11,27/16,27/17,33/13,33/14,3/19.33/20…可選取使用?我國電動自行車用無刷直流電動推桿中最常用的51/23槽極數組合屬于這樣的成功實例?觀察表5-8和表5-11發現,與Z為偶數的Z/P組合相比,Z為奇數的Z/P組合更有勢:有較多的選擇機會,有較高繞組系數,有較大LCM,即齒槽轉矩較小?但是,Z為奇數的Z/p組合不推薦使用,因為它們存在不平衡徑向磁拉力(UMP)問題?

  表5-13是Z為奇數單元電動推桿雙層繞組排列表,注意表中有*的組合,它們是符合Z0=2po±1的基本組合?觀察表5-13繞組排列發現,這些有*組合的繞組排列有相同規律:沿著電動推桿氣隙圓周360°分為三個區,每相線圈集中到約120°的一個區內?這樣,對每一相繞組來說,在氣隙圓周上的分布是偏向一邊的,不平衡的?

  在徑向磁場電動機氣隙中,電磁效應產生的切向力?徑向力和磁致伸縮力都會引起電磁噪音?切向力產生定子和轉子之間的有用電磁轉矩?而徑向力是在定子和轉子之間的吸引力,磁致伸縮力在磁場的方向對鐵心的拉伸力?徑向力是徑向磁場永磁電動機電磁噪音的主要來源?在電動推桿運轉時,偏置的相繞組產生偏置的定子電樞反應磁場,它和在氣隙中永磁轉子產生的磁場合成為不平衡的合成磁場,產生不平衡的徑向磁應力,稱為不平衡徑向磁拉力(UMP)?隨著電動推桿的換相,這種不平衡徑向磁拉力是旋轉的,每經過一個電氣換相周期個狀態),不平衡徑向磁拉力旋轉一周,其頻率為電動機轉子旋轉頻率的p倍,引起電動推桿高頻振動和噪聲?如果轉子在機械上還存在偏心,振動和噪聲將加劇?

  舉例來說,參考文獻[8]針對一臺Z/2p=15/14電動推桿用有限元法得到電動推桿通電時的徑向磁拉力分布圖(見圖5-10),顯示出明顯的不平衡的徑向磁拉力,會引起定子(和轉子)的單向偏移?所以該文認為:不宜選取那些槽數和極數接近而槽數是奇數的組合,如Z/2p=9/8，15/14?21/22等?

  為了解決這個問題,可考慮采取如下措施:

1.優化電動推桿設計參數,降低UMP和它的影響

  例如?為設計高性能硬盤,解決原先采用的9/8組合的硬盤主軸電動機不平衡磁拉力起振動和徑向跳動已經變得十分迫切?參考文獻[11]提出降低UMP引起振動的堅固設計槽集方法?通過優化電動推桿設計參數,使UMP影響減到最少?并注意提高制造質量,降低如槽口分布制造偏差,和減少由于磁鋼磁化工裝和磁化過程引起轉子磁通密度分布的不平衡?

  日本東方馬達株式會社在開發小型無刷直流電動推桿時,對比了幾種9槽電動推桿方案,指出Z2P=9/8和9/10方案在繞組系數和齒槽轉矩方面有較高性能,但是它們會產生徑向不平能產生衡電磁力,可能產生嚴重的振動和噪聲?采用有限元法分析結果,運行時徑向不平衡電磁力變化頻率是轉子旋轉頻率的P倍,發現在相同電磁轉矩條件下9/8電動推桿產生的徑向不平衡電決磁力比9/10電動推桿產生的徑向不平衡電磁力大許多,約4倍?該公司在42mm機座號小型無刷電動推桿新產品中改用了9/10槽極配合方案?并且在電子驅動器采用了正弦波驅動方式,進和槽口步降低電動推桿的振動和噪聲(12別采用有限元

  2.改為采用Z為偶數的槽極組合

  著名硬盤制造商昆騰公司早在1997年就發現,過去它們的硬盤無刷電動機采用的9/8弧比是組合存在不平衡徑向磁拉力(UMP)問題,影響硬盤機性能的提高?昆騰公司將他們的硬矩峰-盤無刷電動機方案改換為12/10組合,以提高硬盤機工作的平穩性,并申請了美國專利?

  應當指出,上述關于Z為奇數的Z/P組合存在不平衡徑向磁拉力(UMP)問題,只是合附近對于單元電動推桿數t=1的組合(即表5-13中帶*的組合)才存在?所以,可采取下面兩個途徑回避不平衡徑向磁拉力問題

  (1)選擇多個單元電動推桿組合

  對于表5-13中帶*的Z0為奇數的單元電動推桿,如果取單元電動推桿數t≥2,對應的Z/P組合并不存在不平衡徑向磁拉力(UMP)問題?例如Z/p=18/10組合,它由兩個9/5組合單元電動推桿組成,即t=2,參見表5-15,繞組分布沒有不平衡問題?這樣,可參見表5-3,選擇那些單元電動推桿是9/4,9/5,15/7,15/8,21/10,21/11…的組合?這些組合由于其單元電動推桿的Z0為奇數,具有較高繞組系數,較大LCM,較小齒槽轉矩的優點?表5-12給出了這樣的36例子,第1和第2行有相同槽數,極數也相近,9/4的單元電動推桿是Z?為奇數的組合,則有較小的齒槽轉矩?繞組系數方面,Z0/Po=12/5的K?=0.933,而Z0/po=9/4的K?=0.945,稍大?

  (2)選擇非基本組合的其他組合

  帶*的組合是Z為奇數的Z/P組合中的基本組合,即符合Z0=2Po±1的組合,如表5-3所示,對于Z≥21,槽數Z為奇數的每個Z列中,除了兩個基本組合外,還有其他的Z/P組合可以,選擇?雖然它們的繞組系數不如基本組合高,但繞組分布已不存在不平衡徑向磁拉力問題?參見表5-13,如21/8,21/13,27/10,27/11,27/16,27/17,33/13,33/14,3/19.33/20…可選取使用?我國電動自行車用無刷直流電動推桿中最常用的51/23槽極數組合屬于這樣的成功實例?