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無刷直流電動機電樞等效電阻的實例研究

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:207

摘要:用典型結構和驅動方式的無刷直流電動機的實際數據,說明了通常認為電樞等效電阻基本上由繞組電阻決定的概念與事實有很大出入。指出換向等效電阻的影響不可忽略,它的值與電動機的轉速成正比,在轉速較高時,可以達到繞組電阻的若干倍。給出了電樞電阻及其各個分量的實驗測定方法。

1   穩態模型

無刷直流電動機已獲得廣泛應用,它的基本理論已相當成熟,典型結構的方波驅動的永磁無刷直流電動機,穩態模型與普通直流電動機一樣。為

  (2)

式中   U——電樞旋轉電壓

ke——旋轉電壓(反電勢)系數

ω——轉子角速度

T——電磁轉矩

kt——轉矩系數

I——電樞電流

V——端電壓

R——電樞電阻

Tf——機械損耗轉矩

Tl——負載轉矩  

 圖1  無刷直流電動機的穩態模型簡圖

通常認為電樞電阻為:R=RaRb(2)

   R包括繞組直流電阻Ra與功率管導通電阻Rb二部分,并且認為在多數情況下IRb與端電壓V相比很小,可以略去不計。在討論電樞電阻的測定時,都是介紹用電橋或歐姆計的方法對繞組電阻進行測試,并考慮繞組的不同接法及溫度影響等。

   模型表明,從電路的角度看,僅為一個回路的簡單直流電路,電路的基本參數也只有一個電樞電阻R,電動機的穩態特性當然就與R密切相關。但是實際上穩態模型中的電樞電阻并不是基本上等于繞組電阻那么簡單,只要對任意1臺無刷直流電動機的穩態運行特性作定量的分析就可以發現。

2樣機試驗

   1臺典型結構和驅動方式的無刷直流電動機,在直流電壓V=50V不變的條件下,測得的一組負載實驗數據如表1所示。

表1  V=50V時樣機1#的負載實驗數據

   作成曲線如圖2a、b所示。圖2a是電動機最基本的機械特性曲線,負載轉矩TL=O時電動機的空載轉速no=8 300r/min;負載轉矩增大時,電動機的轉速下降,例如TL—0.5Nm時,nL=7 100r/min,轉速下降了△n=1 200r/min;轉速的下降反映了電樞電流增大,電樞電阻壓降的增大,從中即可了解電樞電阻的值。更直觀一些,通過圖2b的轉速特性可知,它是負載增大時轉速與電樞電流的關系。電樞電流為零時,可得理想空載轉速,no=8 600r/min。轉速

隨電樞電流增大而下降,例如I=11.6A時,較I=0A時,轉速下降的值為△n=1 600r/min;表明這時電樞電阻壓降為:

可見,這時電樞電阻的值為: (3)

 圖2  實驗樣機1#的實測特性曲線示例

 可見,這時電樞電阻的值為: (4)

 1#實驗樣機定子三相繞組為△接,一相繞組電阻用歐姆計測得為0.11Ω,電樞繞組的電阻為: (5)

   式(4)和(5)相比較表明,樣機1#在所述狀態下,電樞電阻的值(R)與電樞繞組電阻(Ra)的值不是同一個數量級,很難說明電樞繞組電阻基本上能代表電樞電阻的值。實驗時,電源電壓嚴格保持恒定不變,聯接導線的電阻盡量減小,功率管的導通電阻也很小,所以就是考慮電樞繞組電路其他各部分電阻的影響,也根本不能說明實際上電樞電阻的值為什么有式(4)表示那么大。

   事實上電樞等效電阻除了電樞繞組電阻(Ra)和功率管的導通電阻(Rb)以外,還有一項不可忽視的部分,即換向等效電阻(Rc)。于是:R=Ra+Rb+Rc    (6)

   它的機理與有刷直流電動機相似,只不過常規的有刷直流電動機通常換向片數很多,同時換向元件只占電樞元件的很小一部分,所以影響很小,可以不計。作者曾在三槽小型直流電動機的情況下,對換向等效電阻作過專門的研究,表明在電樞等效電阻中占有不可忽視的比重。無刷直流電動機一般具有三相電樞繞組,與三槽電動機很相似,而且功率較大,顯得更為突出。Rc的特點是它的值與轉速密切相關。Rc的值在R中占較大比重時,使得R的值與

轉速有關,所以電樞等效電阻的測定需在不同轉速下進行。

   以下是對試驗樣機2#電樞電阻測定的實例。為了保持電動機的轉速為某一定值,增加負載電樞電流(I)需增高電動機的端電壓(V),這樣可獲得n=const時,V=f(I)的關系,稱為調整特性,實測樣機2#的調整特性如表2及圖3所示。

  表2  樣機2#調整特性實測數據表

續表2   樣機2#調整特性實測數據表

 圖3  樣機2#V=f(I)實測曲線

  調整特性曲線的斜率就是該轉速下電樞等效電阻的值。測出的調整特性都是一條直線,表明電樞等效電阻的值與電樞電流的值基本無關,表明在這類NdFeB電機中電樞反應的影響很小。不同轉速的調整特性則斜率明顯不同,求出的等效電阻R與轉速的關系如圖4所示。

    圖4  電樞等效電阻實測結果示例(樣機2#)

圖4表明,R與轉速的關系也是一條直線,說明Rc的值與轉速成正比。延長到n=o處與縱軸相交可得Ra+R的值,其中繞組電阻Ra容易用電橋測出。樣機2#實測得:R=8.23+0.00635n   (7)

可見   Rc=0.00635n     (8)

   樣機2#定子為△接法的三相繞組,相繞組電阻的值用歐姆計測得為8.5Ω所以Ra=8.5//17.0=8.67Ω(9)

   在實驗樣機2#中,只要n>1300r/min,Rc的值便超過(Ra+R)的和;轉速升高時Rc的值可以達到(Ra+Rb)的若干倍??梢?,在無刷直流電動機中,僅用繞組電阻和功率管的導通電阻來表示電樞的等效電阻是不正確的;不計換向電阻Rc的影響將無法說明和計算電動機的穩態運行特性。

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