北京永光高特微电机有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新闻详情

永磁无刷直流电动机运行特性的研究

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:21824

摘要:从永磁无刷直流电动机的基本工作原理出发,推导了其数学模型。在数学模型的仿真求解中,着重分析了切换角对绕组电流、换流重叠角、电磁效率的影响。

Ø引  言

直流电动机的主要优点是调速和起动特性好,因而广泛应用于驱动和伺服系统中。但是,普通直流电动机具有电刷和换向器,需要机械换向,所以工作不可靠,寿命短,需要经常维护,并有噪声和无线电干扰等缺点。无刷直流电动机(The  Brushless  DC  Motor,简称BDCM)兼有直流电动机调速和起动性能好、交流电动机的结构简单维护方便的优点。永磁体的转子结构简单、运行可靠,定子多相绕组,由固态逆变器和位置检测装置组成电子换向器。位置检测器相当于普通无刷直流电动机的电刷,逆变器的输出受位置检测器的控制,转子位置检测器决定着绕组电流的相位及绕组磁势在空间的分布,改变转子位置检测器的相对位置,就可以改变绕组中电流对电势的相位差和电枢反应磁势对磁极的相对位置。无刷直流电动机的方框原理如图1所示

  图1无刷直流电动机系统主电路图

Ø无刷直流电动机系统分析

2.1切换角

  从直流电机理论中可以知道,直流电机电刷的位置对电机的运行性能有着重大影响,BDCM中等效电刷的位置取决于相绕组电流切换的相们(切换角δ),切换相位超前δ>0,这相当于直流电机电刷位置从几何中性线逆着转子旋转的方向移动。切换相位滞后δ>0,这相当于直流电机的电刷位置从几何中性线顺着转子旋转的方向移动,δ=0,相当于直流电机电刷处在磁极几何中性线。在BDCM系统中,切换角δ是由位置检测器所整定的。

2.2换流重叠角

对于逆变器为120°导通型,在不考虑开关管换流过程的理想情况下每个开关管元件导通1/3周期,任何瞬时只有两个开关管导通,但是在计及开关管元件换流的实际运行情况时,则每个元件导通时间将稍大于120°,每种运行状态中将包含只有2个开关管导通的换流模式(如表1的模式A)及只有3个开关管导通的换流模式(如表1的模式B),两种导通模式总的持续时间仍为1/6周期。一个完整运行周期内6种状态下导通开关管的组合情况,导通模式如表1所示。

   在BDCM中,电机每转过60°电角度,电枢绕组就要进行1次换相,每次换相的持续时间由换流重叠角μ表示。

2.3  电磁效率

BDCM在120°导通状态下电磁功率为PM,电机输入功率为P,电磁功率和输入功率的比值就定义为电磁效率(未计及元器件损耗),记为  。由后面的数学模型可知,电磁效率是切换角和换流重叠角的函数。

2.4无刷直流电动机的数学模型

 永磁无刷直流电动机,定子三相交流绕组,转子磁钢布置采用径向结构,钕铁硼永磁体安装在转子表面,这种稀土永磁材料其相对导磁率近于空气,在这种表面安装磁极的转子结构中,永磁体可以看作气隙的一部分,无凸极效应的影响。在电机模型的建立时,认为电机的气隙是均匀的。

   假设:

   (1)磁路不饱和。

   (2)忽略高次空间磁势谐波的影响。

   (3)忽略磁滞、涡流的影响。

 记两种导通模式总的持续时间即1/6周期为1个导通区间,取转子磁场在1个导通区间内的中心位置为θ=0的位置。

   切换角δ定义为:通电线圈的几何中心线与θ=0坐标轴之间的夹角。

   永磁体的磁通链在BDCM的运行中可以当作常数Ψfo,定子磁链方程为:

   

   定子电压方程式为:

         (2)

   据假定有:Ra = Rb = Rc = R

             LAA = LBB = LCC = L

             MAB = MBA = MAC = MCA = MB C= MCB = M

   式中,ΨA、ΨB、Ψc为定子三相磁通链,iA、iB、ic为定子电流,L为定子绕组自感,M为定子绕组互感,Ψf0为转子永磁体磁通链,θ为转子位置角,即转子d轴和A相轴线的夹角。注意到任何时候都有:jA+iB+ic=O

   把电流对时间的导数转换为电流对角度的导数,即 可得电压方程式:

    (3)

   记 (4)电磁转矩为:

      (5)

   记Ud为直流电源电压,,为电源输出电流,则电机输入功率为P=UdI;电磁功率PM=Teω。

   利用电机中电参量的单相半波对称性和三相的对称性,可以把无刷直流电动机的稳态运行求解过程归结到一个导通区间内求解,现只考虑  区间内的情况。假定在 时,电机C,B两相导通,换相为A,B两相导通。

   在BDCM的逆变器线路中,每个开关元件实际上都并有续流二极管(如图1所示),在换相时,线圈中的磁场能量通过二极管释放。由于续流二极管的接入,使得换相并不是在瞬间完成,导致了换流重叠角的存在,这也就是换流重叠角产生的原因。在从C、B两相通电转换为A、B两相通电的瞬间,C相内尚有一定的电流,它必然要经过线圈C、线圈B、T6、VD2释放,直到流过二极管的电流为零,此时θ=θμ。

   在第一种导通模式,由于二极管的续流作用,此时A、B、C三相绕组都有电流通过(见图2),此时电极端部约束条件是:

       

图2换流模式

Ud = uA—uc

uA—uB又因为uA+uB +uc=0,所以有:

uB =uc 求得数学模型—为

 (6)

在第二种导通模式(见图3),只是A、B两相通电时,电机端部约束条件:

  图3  单流模式

Ud = uA — uB

ic=0

求得数学模型二为

3切换角对换流重叠角的影响以及切换角对电流、电磁效率的影响

   在直流电机模型中,每次换向过程的持续时间是由电刷的宽度决定的,而在BDCM中,每次换向过程的持续时间是由换流重叠角决定的。当电机处在某一恒定速度下运行时,切换角对换流重叠角的影响如图4所示。电磁功率的大小决定了电机的出力比例,在一定的范围内,随着切换角的增大,电机的电磁效率增大,到一个最大值时再下降(如图5所示)。

 图4  切换角对换流重叠角的影响

 图5 切换角对电磁效率的影响

   理想状态下,无刷直流电动机的电流波形为方波,开关元件导通120°。

   但是在实际情况下,由于开关线路中续流二极管的续流作用,使得无刷直流电动机的电流波形有其特殊性,并且受切换角的影响,开关元件实际导通电角度为(见图6):

δ= 0°时导通141.44°

δ=12°时导通138.82°

δ=24°时导通138.98°

4  结  论

   当无刷直流电动机的空载换流超前角(切换角)为δ时,记及换流重叠角μ的影响,电流的基波将在。原基波的基础上向后移 角,变成超前于空载电势一个 角。由位置传感器所整定的切换角,它的变换引起电枢反应性质的变化,它对无刷直流电动机的运行特性有重大影响。

联系方式
 
 
 工作时间
周一至周五 :8:00-17:00
 联系方式
于海腾:010-83971821
姜宇:010-83510840
周围:010-61402950