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无刷直流永磁电动机的电枢反应

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:4674

 摘要:文章将对三相非桥式电子换向电路和120°导通型三相半桥逆变电路驱动的无刷直流永磁电动机,以及对180°导通型三相半桥逆变电路驱动的自控式永磁同步电动机,在正反转运行过程中所经受到的最大去磁磁势进行探讨。探讨的目的在于:更深刻地理解无刷直流永磁电动机的运行机理,从而能够更正确地设计无刷直流永磁电动机。

1有刷直流永磁电动机

图1有刷直流永磁电动机的正反转过程

   这里,我们将在不考虑换向过程中被短路的元件,不考虑换向过程本身对电动机运行所产生的影响和在不考虑磁路饱和等条件下,研讨有刷直流永磁电动机在正反转过程中定转子磁场的相对位置的变化,以及电枢反应磁场对定子主磁场的不同作用。图l给出了有刷直流永磁电动机正反转的过程。一般情况下,电枢反应磁场(或简称电枢磁场)Fa可以分解为交轴分量和直轴分量Faq和直轴分量Fad交轴分量Faq与定子主磁场Fm相互作用产生旋转电磁力矩,通常被称之谓力矩分量;而直轴分量Fad仅对定子主磁场Fm起到增磁或去磁的作用,不产生旋转电磁力矩,因此通常被称之谓磁场分量。当电刷AB处在图la所示的位置I时,即电刷AB轴线与主磁场的交轴相重合,θ1=0°,根据磁极下电枢电流Ia的分布,由比奥•萨乏定律可知,电枢将按顺时针方向转动,这时,电枢电流Ia产生的电枢磁场Fa与定子永磁体产生的主磁场Fm处于正交状态,即磁场电枢轴线与主磁场的交轴相重合,即有Fad1=O,Faq1=Fa定转子磁场的相互作用产生最大的旋转电磁力矩MEM(从图中可以直观到电刷AB两侧各自拥有的9个槽导体都将全部与定子主磁场Fm相互作用而产生旋转电磁力矩);如果把电刷沿着顺时针方向逐渐移动至图1b所示的位置Ⅱ,电刷AB轴线与主磁场的交轴之间的夹角为θ2,这时,电枢磁势Fa将被分解为直轴电枢磁势Fa和交轴电枢磁势Faq2,直轴电枢磁势Fad2对主磁场Fm起到增磁作用,而交轴电枢磁势Faq2=Facosθ2<Faq1,但Faq2的作用方向没有变化,这意味着:电动机在位置Ⅱ时产生旋转电磁力矩要小于电动机在位置I时产生旋转电磁力矩(从图中可以直观到电刷AB两侧各自拥有的5个槽导体与定子主磁场Fm相互作用而产生旋转电磁力矩),但电动机按顺时针旋转的方向不变;当把电刷AB沿着顺时针方向继续移动至图1 c所示的位置Ⅲ时,θ2<θ3<90°,直轴电枢磁势Fad3将进一步增大,即Fad3>Fad2交轴电枢磁势Faq3将进一步减小,即Faq3<Faq2,但Faq3的作用方向仍然没有变化,这意味着:电动机在位置Ⅲ时产生旋转电磁力矩要比电动机在位置Ⅱ时产生旋转电磁力矩更小(从图中可以直观到电刷AB两侧各自只有1个槽导体与定子主磁场Fm相互作用而产生旋转电磁力矩),但电动机的旋转方向不变;如果把电刷AB沿着顺时针方向移动至图1d所示的位置Ⅳ,θ4=90°,这时,直轴电枢磁势Fad4=Fa,对由永磁体产生主磁场Fm起到最大的增磁作用,而交轴电枢磁势Faq5=0,在此位置上,电动机不产生旋转电磁力矩,即MEM=0;一旦把电刷AB沿着顺时针方向移动至图le所示的位置V时,θ5>90°,虽然直轴电枢磁势Fad5对主磁场Fm仍起到增磁作用,

但交轴电枢磁势Faq5将改变方向,由交轴电枢磁势Faq5与主磁场Fm相互作用而产生的电磁力矩也将改变其旋转方向,迫使电动机朝逆时针方向旋转;当处电刷AB在图1f所示的位置Ⅵ时,90°<θ6<180°对主磁场Fm起到增磁作用的直轴电枢磁势Fad6减小,即Fad6<Fad5而迫使电动机朝逆时针方向旋转的交轴电枢磁势Faq6增大,即Faq6>Faq5;当把电刷AB沿着顺时针方向继续移动至图1g所示的位置Ⅶ时,θ7=180°,电刷AB轴线与主磁场的交轴又相重合,但相对位置I而言其作用方向却相反,这时,直轴电枢磁势Fa=O,交轴电枢磁势Faq7= 一Fa,定转子磁场相互作用将产生最大的逆向旋转电磁力矩;当处电刷在图lh所示的位置Ⅷ时,θ8>180°,直轴电枢磁势Fad8将变成负值,对主磁场Fm起到去磁作用,交轴电枢磁势Fad8=Fasinθ8其逆向旋转电磁力矩的数值要小于位置Ⅶ时的逆向旋转电磁力矩,电动机仍按逆时针方向旋转;当处电刷AB在图1i示的位置IX时,θ9=270°,直轴电枢磁势Fad8 = —F a,对主磁场Fm起到最大的去磁作用,而交轴电枢磁势Faq8=O,电动机不产生旋转电磁力矩,即MEM=0。为清晰起见,把上述电刷AB沿着顺时针方向逐渐移动的变化过程列成表1。

表l有刷直流永磁电动机的定转子磁场和相互之间的作用和变化过程

 

   如果我们在图la所示的位置I时,开始把电刷AB沿着逆时针方向逐渐移动,即逆着旋转方向移动电刷,直轴电枢磁势Fad将对主磁场呈现去磁作用,交轴电枢磁势Faq的作用方向不变;当电刷AB逆向移动的角度θ=90°时,直轴电枢磁势Fad将对主磁场的去磁作用达到最大值,而交轴电枢磁势

Faq=0;当电刷逆向移动的角度θ>90°时,交轴电

枢磁势Faq将改变其作用方向,电磁力矩也将改变  方向,使电动机顺时针方向转劫改变成逆时针方向转动;当电刷AB逆向移动的角度θ=180°时,逆向旋转的电磁力矩达到最大值。

   综上分析,我们可以得出下列几个结论:

   (1)电枢磁场Fa与定子永磁体产生的主磁场Fm处于正交状态时,电动机将产生最大的旋转电磁力矩MEM

   (2)当电刷AB从交轴(θ=0°)开始按顺时针方向逐渐移动,但相对交轴移动的角度小于90°电角时,电动机产生的旋转电磁力矩的方向不变,亦即电动机的旋转方向保持不变;当电刷AB沿着顺时针方向相对交轴逐渐移动的角度θ=90°电角时,直轴电枢磁势等于电枢磁势,即Fad=Fa,电枢磁势Fa全部变成了对主磁场起到增磁作用的直轴电枢磁势Fad而交轴电枢磁势Faq等于零,电动机产生的旋转电磁力矩也将等于零。

   (3)一旦电刷AB沿着顺时针方向相对交轴移动的角度θ>90°电角时,电动机产生的旋转电磁力矩的方向就将改变旋转方向,亦即电动机将朝相反方向旋转;当相对交轴移动的角度=180°电角时,电动机将产生最大的反转电磁力矩。这意味着:定转子磁场中,只要有一个磁场,而且只能有一个磁场相对其原磁场的方向旋转180°电角度,则电动机就能以最大的反向力矩改变其转动方向。

   (4)当电刷AB从交轴(θ=0°)开始逆着旋转方向移动时,直轴电枢磁势Fad将对主磁场起去磁作用,当电刷AB相对交轴逆向移动的角度θ= 一90°时,直轴电枢磁势Fad将对主磁场的去磁作用达到最大值。

   一般情况下,有刷直流永磁电动机在实施突然正反转时,外加电压与反电动势同方向,电动机将产生强大的电枢电流Ia,其数值可以按下式估算:

      (1)

  式中,U是外加电压;E是电枢绕组内的反电动势;γa是电枢绕组的电阻。

  这种突然反转电流将产生强烈的电枢反应磁场,但在有刷直流永磁电动机中,由于电刷AB处于主磁场的交轴位置(θ= 0°)上,它将不会形成对主磁场起增磁或去磁作用的直轴电枢反应磁场,而只会形成强烈的交轴电枢反应磁场,引起气隙磁场波形的畸变。在无刷直流永磁电动机和自控式永磁同步电动机中,情况要复杂得多。下面我们将利用上述有刷直流永磁电动机在正反转过程中定转子磁场相互作用的原则来分析无刷直流永磁电动机和自控式永磁同步电动机在正反转运行过程中,它们的转子永磁体所经受到的最大去磁磁势。

   2三相非桥式电子换向电路驱动的无刷直流永磁电动机

   典型的三相非桥式电子换向电路如图2所示。电动机正向旋转时(顺时针方向),定子绕组导通顺序为UVW;反向旋转时(逆时针方向),定子绕组导通顺序为UWV。假定正向旋转的电动机在U相绕组通电时突然反转,此时U相绕组的电枢磁势AWau与U相绕组的轴线相重合,如图3所示,而转子主磁场中。有可能处在状态角αz范围之内,即如图3中的位置I和II位置之间的任意位置上。现在就两种情况,分别研究电动机突然反转时,其电枢磁场对转子磁场的影响。

   (A)转子磁场处在[I,0]区间内

   此时,反转的指令信号将使电子开关切断U相绕组,同时接通V相绕组,转子受到反方向转矩而反转。在不考虑功率开关管BG1截止时,二极管D1给U相绕组提供通路而产生续流的情况下,电枢磁势如图中AWav所示,其直轴分量AWadv对转子磁场Φm起去磁作用。

 图2三相非桥式电子换向电路

 图3突然反转时的定转子磁场关系

当转子处在边界位置I时,电枢磁场AWav与转子磁场φm正交,纯粹表示为交轴电枢反应。当转子处在中间位置0时,电枢反应的直轴去磁分量AWadv转达到最大值,其数值为:

     (2)

   (B)转子磁场处在[0,Ⅱ]区间内

   此时,反转指令信号将使电子开关切断U相绕组,而接通W相绕组,转子受到反向转矩而反转。这时电枢磁势如图中AWaw所示,其直轴分量AWad对转子磁场φm起增磁作用。

   当转子处在边界位置Ⅱ时,电枢磁场AWaw与转子磁场φm正交,纯粹表现为交轴电枢反应。当转子处在中间位置0时,电枢反应的直轴增磁分量达到最大值[AWadw]max,其数值上和上述直轴去磁分量最大值[AWadv]max相等。

 3   120°导通型三相半桥逆变电路驱动的无刷直流永磁电动机

     120°导通型三相半桥逆变电路驱动的无刷直流永磁电动机如图4所示。电动机运行时,每一个磁状态对应于三相电枢绕组中的两相绕组串联导通和一相绕组悬空,表2和表3分别是它的顺时针和逆时针导通程序。

   图4 120°导通型三相半桥逆变电路

   120°导通型三相半桥逆变电路驱动的无刷直流永磁电动机不同于三相非桥式电子换向电路驱动的无刷直流永磁电动机,在行过程中,每一个功率开关器件连续导通120°电角度,截止240°电角度,每一个电气周期内有六个磁状态,每个磁状态持续60°电角度。根据表2和表3,不管电动机处在顺时针方向旋转中的某一状态,还是处在逆时针方向旋转中的某一状态,都存在一个与之相差180°电角度的导通状态。因此,在转子永磁体产生的主磁场Fm保持不变的某一时刻,把定子三相电枢绕组原先的导通状态改变成与之相差180°电角度的导通状态,就能使电动机反转,并有可能以最大的反转电磁力矩使电动机反转。例如,当电动机顺时针方向旋转时,如果要求在磁状I时实现突然反转,则根据表2,应选择对应于磁状态IV的导通状态,就能确保在转子主磁场Fm空间位置不变的情况下,电枢磁场Fa相对转子主磁场Fm转过180°电角度,从而在磁状态I时能迫使电动机由顺时针旋转突然改变成逆时针旋转。又如,当电动机逆时针方向旋转时,如果要求在磁状态Ⅱ时实现突然反转,则根据表3,应选择对应

于磁状态V的导通状态,就能确保在转子主磁场Fm空间位置不变的情况下,电枢磁场Fa相对转子主磁场Fm转过180°电角度,从而就能使电动机在磁状态Ⅱ时实现由逆时针旋转突然改变成顺时针旋转。

   现在,假设我们要求顺时针旋转的电动机在磁状态Ⅲ时突然反转,在此情况下,分析定转子磁场之间的相互关系,以及在正反转过程中转子永磁体所遭受到的最大去磁作用。

磁状态Ⅲ时,功率开关器件BG3和BG2导通,三相电枢绕组中V相和W相导通,U相悬空,电枢电流Ia从V相进入,从W相流出,电动机朝顺时针方向旋转。V相和W相的磁势合成电枢磁场Favw,它和转子永磁体产生的主磁场Fm之间的相互关系如图5a所示。根据表2,应选择对应于磁状态Ⅵ的导通状态,即功率开关器件BG5和BG6导通,W相和V相导通,U相悬空,电枢电流Ia从W相进入,从V相流出。在不考虑续流的情况下,w相和V相的磁势合成一个新的电枢磁场Fawv,它相对转子主磁场Fm转过了180°电角度,从而能迫使电动机在磁状态Ⅲ时由顺时针方向旋转突然改变成逆时针方向旋转。

表2  120°导通型三相半桥逆变电路的顺时针导通程序

表3  120°导通型三相半桥逆变电路的逆时针导通程序

图5  电枢磁场和转子永磁体产生的永磁场Fm之间的相互关系

电动机在磁状态Ⅲ反转时,其转子主磁场Fm有可能处在状态角αz范围之内,即如图5中的位置I和Ⅱ位置之间的任意位置上。现在就电动机突然反转时其转子主磁场所处的三种不同位置,来分析其电枢磁场对转子主磁场Fm的影响。

   (A)转子永磁体产生的主磁场Fm处在[I,0]区间内

   当电动机的转子主磁场处在Fm[I,0]区间内实施反转时,其电枢合成磁场Fawv与转子主磁场Fm相互之间的关系如图5b所示。这时,电枢合成磁场Fawv的直轴分量Fadwv对转子主磁场Fm起增磁作用,其最大的增磁作用可以按下式估算:

   [Fadwv]max = Fawv·cosαz=0.5Fawv,    (3)式中,状态角αz=60°电角度。

   (B)转子永磁体产生的主磁场Fm处在[O,Ⅱ]区间内

   当电动机的转子主磁场Fm处在[0,Ⅱ]区间内实施反转时,其电枢合成磁场Fawv与转子主磁场Fm相互之间的关系如图5c所示。这时,电枢合成磁场的直轴分量Fadwv对转子主磁场Fm起去磁作用,其最大的去磁作用可以按下式估算:

   [Fadwv] max = Fawv·cosαz=0.5Fawv,  (4)式中,状态角αz=60°电角度。

   由此可见,电动机在正反转过程中,其转子永磁体所经受到的最大增磁作用和最大去磁作用在数值上是一样的。

   (c)转子永磁体产生的主磁场Fm处在[O]位置

   当电动机的转子主磁场Fm处在[0]位置上实施反转时,其电枢合成磁场Fawv与转子主磁场Fm处于正交状态,其电枢反应磁场只有交轴分量,没有直轴分量,即Faqwv = Fawv,Fadwv=O。这时,电枢反应磁场对主磁场不起增磁或去磁作用,而电动机将以最大的反转电磁力矩实现反转。

   4 180°导通型三相半桥逆变电路驱动的自控式永磁同步电动机

   对于自控式永磁同步电动机而言,通常采用180°导通的电压型三相半轿逆变电路,如图6所示。在运行过程中,每一个电气周期有六个磁状态,三相电枢绕组U、V和W始终处于同时接通的状态。为了方便说明,表4和表5分别列出了顺时针方向和逆时针方向旋转时的导通程序;同时,为了估算电枢反应直轴去磁分量的最大值和简化估算方法,时暂不考虑逆变器的调制方式和电枢绕组内瞬间存在的续流现象。

    图6 180°导通型三相半桥逆变

   假定顺时针旋转的自控式永磁同步电动机处在磁状态I时突然反转,如图7a所示。电动机处在磁状态I时,电流通过功率开关器件S1和S5进入电枢绕组U和W,然后电流通过V相绕组,从功率开关器件S6流出,这时电枢反应磁势为Fa在此情况下,根据表4,可以选择对应于磁状态IV的导通状态,即功率开关器件S3、S4和S2导通,这时,电流通过功率开关器件S7进入电枢绕组V,然后电流通过U和W相绕组,从功率开关器件S4和S2流出。当

电动机的磁状态由I[U(+)、V(一)、W(+)]突然变换成磁状态IV[U(-)V(+)、W(-)]时,电枢反应磁势将由FaI突然转变成FaIv磁状态IV的电枢磁场Fa相对原先的磁状态I的电枢磁场旋转了180°电角度,从而电枢磁场Fa和转子永磁体产生的主磁场Fm相互作用将产生反向的旋转力矩,迫使电动机由顺时针旋转改变成逆时针旋转。

    表4顺时针方向旋转时的导通状态

表5逆时针方向旋转时的导通状态

图7  电动机突然反转时定转子磁场的相互关系

   电动机在磁状态I突然反转时,转子永磁体产生的主磁场Fm有可能处在状态角αz范围之内,即图(7)(a)中I和Ⅱ之间的任意位置上。同样,我们将根据电动机突然反转时转子主磁场Fm所处的三种不同位置,来分析其电枢磁场FaIv对转子永磁体产生的主磁场Fm的影响。

   (A)转子永磁体产生的主磁场Fm处在[I,0]区间内

   当自控式永磁同步电动机的突然反转发生在转子永磁体产生的主磁场Fm处在[1,0]区间内时,如图7b所示,其电枢反应磁势Fm的直轴分量将对转子主磁场起增磁作用,且当转子主磁场处在位置[I]时,电枢反应磁势Fa的直轴分量FadlV对转子主磁场Fm的增磁作用最大,其数值可按下式估算:

   [FadIv]max = FaIv·cosαz=0.5FaIv (5)式中,状态角=60°电角度。

(B)转子永磁体产生的主磁场Fm处在[0,II]区间内

当自控式永磁同步电动机的突然反转发生在转子永磁体产生的主磁场Fm处在[O,Ⅱ]区间内时,如图(7)(c)所示,其电枢反应磁势FalV的直轴分量FadlV将对转子主磁场Fm起去磁作用,且当转子主磁场Fm处在位置[Ⅱ]时,电枢反应磁势FalV的直轴分量FadlV对转子主磁场Fm的去磁作用最大,其数值[FadlV] max可按下式估算:

[FadlV] max = FaIv·cosαz=0.5FaIv   (6)式中,状态角αz=60°电角度。

(c)转子永磁体产生的主磁场Fm处在[0]位置

当自控式永磁同步电动机的突然反转发生在转子永磁体产生的主磁场Fm处在[0]位置时,其电枢反应磁势FalV与转子主磁场Fm处于正交状态,即有FadlV=O,FaqlV=FalV。这时,电枢反应磁场对主磁场不起增磁或去磁作用,而电动机将以最大的反转电磁力矩实现反转。

5结语

(1)无刷直流永磁电动机的正反转原理与有刷直流永磁电动机的正反转原理,在本质上是相同的。

(2)无刷直流永磁电动机的电枢反应与有刷直流永磁电动机的电枢反应,在本质上是一样。

(3)比较公式(3)、(4)和(5)、(6),可以看出:180°导通型三相半桥逆变电路驱动的自控式永磁同步电动机在正反转过程中,其转子永磁体所遭受到的最大去磁作用的计算方法与120°导通型三相半桥逆变电路驱动的无刷直流永磁电动机在正反转过程中,其转子永磁体所遭受到的最大去磁作用的计算方法在形式上是一样的;但它们的电枢反应磁势本身的计算方法是不一样的。

 (4)对于180°导通型三相半桥逆变电路驱动的自控式永磁同步电动机而言,当采用空间矢量脉宽调制时,在运行过程中,不管负载如何变化,都可以通过合理的调制使定子电枢反应磁场Fm与转子永磁体产生的主磁场Fm始终处于正交状态,从而使电动机具有最大的运行力矩、反转力矩和最好的运行效率,而转子永磁体所遭受到的去磁作用将最小。

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