北京永光高特微電機有限公司
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永磁無刷直流電動機運行特性的研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:22041

摘要:從永磁無刷直流電動機的基本工作原理出發,推導了其數學模型。在數學模型的仿真求解中,著重分析了切換角對繞組電流、換流重疊角、電磁效率的影響。

?引  言

直流電動機的主要優點是調速和起動特性好,因而廣泛應用于驅動和伺服系統中。但是,普通直流電動機具有電刷和換向器,需要機械換向,所以工作不可靠,壽命短,需要經常維護,并有噪聲和無線電干擾等缺點。無刷直流電動機(The  Brushless  DC  Motor,簡稱BDCM)兼有直流電動機調速和起動性能好、交流電動機的結構簡單維護方便的優點。永磁體的轉子結構簡單、運行可靠,定子多相繞組,由固態逆變器和位置檢測裝置組成電子換向器。位置檢測器相當于普通無刷直流電動機的電刷,逆變器的輸出受位置檢測器的控制,轉子位置檢測器決定著繞組電流的相位及繞組磁勢在空間的分布,改變轉子位置檢測器的相對位置,就可以改變繞組中電流對電勢的相位差和電樞反應磁勢對磁極的相對位置。無刷直流電動機的方框原理如圖1所示

  圖1無刷直流電動機系統主電路圖

?無刷直流電動機系統分析

2.1切換角

  從直流電機理論中可以知道,直流電機電刷的位置對電機的運行性能有著重大影響,BDCM中等效電刷的位置取決于相繞組電流切換的相們(切換角δ),切換相位超前δ>0,這相當于直流電機電刷位置從幾何中性線逆著轉子旋轉的方向移動。切換相位滯后δ>0,這相當于直流電機的電刷位置從幾何中性線順著轉子旋轉的方向移動,δ=0,相當于直流電機電刷處在磁極幾何中性線。在BDCM系統中,切換角δ是由位置檢測器所整定的。

2.2換流重疊角

對于逆變器為120°導通型,在不考慮開關管換流過程的理想情況下每個開關管元件導通1/3周期,任何瞬時只有兩個開關管導通,但是在計及開關管元件換流的實際運行情況時,則每個元件導通時間將稍大于120°,每種運行狀態中將包含只有2個開關管導通的換流模式(如表1的模式A)及只有3個開關管導通的換流模式(如表1的模式B),兩種導通模式總的持續時間仍為1/6周期。一個完整運行周期內6種狀態下導通開關管的組合情況,導通模式如表1所示。

   在BDCM中,電機每轉過60°電角度,電樞繞組就要進行1次換相,每次換相的持續時間由換流重疊角μ表示。

2.3  電磁效率

BDCM在120°導通狀態下電磁功率為PM,電機輸入功率為P,電磁功率和輸入功率的比值就定義為電磁效率(未計及元器件損耗),記為  。由后面的數學模型可知,電磁效率是切換角和換流重疊角的函數。

2.4無刷直流電動機的數學模型

 永磁無刷直流電動機,定子三相交流繞組,轉子磁鋼布置采用徑向結構,釹鐵硼永磁體安裝在轉子表面,這種稀土永磁材料其相對導磁率近于空氣,在這種表面安裝磁極的轉子結構中,永磁體可以看作氣隙的一部分,無凸極效應的影響。在電機模型的建立時,認為電機的氣隙是均勻的。

   假設:

   (1)磁路不飽和。

   (2)忽略高次空間磁勢諧波的影響。

   (3)忽略磁滯、渦流的影響。

 記兩種導通模式總的持續時間即1/6周期為1個導通區間,取轉子磁場在1個導通區間內的中心位置為θ=0的位置。

   切換角δ定義為:通電線圈的幾何中心線與θ=0坐標軸之間的夾角。

   永磁體的磁通鏈在BDCM的運行中可以當作常數Ψfo,定子磁鏈方程為:

   

   定子電壓方程式為:

         (2)

   據假定有:Ra = Rb = Rc = R

             LAA = LBB = LCC = L

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

   式中,ΨA、ΨB、Ψc為定子三相磁通鏈,iA、iB、ic為定子電流,L為定子繞組自感,M為定子繞組互感,Ψf0為轉子永磁體磁通鏈,θ為轉子位置角,即轉子d軸和A相軸線的夾角。注意到任何時候都有:jA+iB+ic=O

   把電流對時間的導數轉換為電流對角度的導數,即 可得電壓方程式:

    (3)

   記 (4)電磁轉矩為:

      (5)

   記Ud為直流電源電壓,,為電源輸出電流,則電機輸入功率為P=UdI;電磁功率PM=Teω。

   利用電機中電參量的單相半波對稱性和三相的對稱性,可以把無刷直流電動機的穩態運行求解過程歸結到一個導通區間內求解,現只考慮  區間內的情況。假定在 時,電機C,B兩相導通,換相為A,B兩相導通。

   在BDCM的逆變器線路中,每個開關元件實際上都并有續流二極管(如圖1所示),在換相時,線圈中的磁場能量通過二極管釋放。由于續流二極管的接入,使得換相并不是在瞬間完成,導致了換流重疊角的存在,這也就是換流重疊角產生的原因。在從C、B兩相通電轉換為A、B兩相通電的瞬間,C相內尚有一定的電流,它必然要經過線圈C、線圈B、T6、VD2釋放,直到流過二極管的電流為零,此時θ=θμ。

   在第一種導通模式,由于二極管的續流作用,此時A、B、C三相繞組都有電流通過(見圖2),此時電極端部約束條件是:

       

圖2換流模式

Ud = uA—uc

uA—uB又因為uA+uB +uc=0,所以有:

uB =uc 求得數學模型—為

 (6)

在第二種導通模式(見圖3),只是A、B兩相通電時,電機端部約束條件:

  圖3  單流模式

Ud = uA — uB

ic=0

求得數學模型二為

3切換角對換流重疊角的影響以及切換角對電流、電磁效率的影響

   在直流電機模型中,每次換向過程的持續時間是由電刷的寬度決定的,而在BDCM中,每次換向過程的持續時間是由換流重疊角決定的。當電機處在某一恒定速度下運行時,切換角對換流重疊角的影響如圖4所示。電磁功率的大小決定了電機的出力比例,在一定的范圍內,隨著切換角的增大,電機的電磁效率增大,到一個最大值時再下降(如圖5所示)。

 圖4  切換角對換流重疊角的影響

 圖5 切換角對電磁效率的影響

   理想狀態下,無刷直流電動機的電流波形為方波,開關元件導通120°。

   但是在實際情況下,由于開關線路中續流二極管的續流作用,使得無刷直流電動機的電流波形有其特殊性,并且受切換角的影響,開關元件實際導通電角度為(見圖6):

δ= 0°時導通141.44°

δ=12°時導通138.82°

δ=24°時導通138.98°

4  結  論

   當無刷直流電動機的空載換流超前角(切換角)為δ時,記及換流重疊角μ的影響,電流的基波將在。原基波的基礎上向后移 角,變成超前于空載電勢一個 角。由位置傳感器所整定的切換角,它的變換引起電樞反應性質的變化,它對無刷直流電動機的運行特性有重大影響。

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