運(yùn)控電機(jī)之無刷直流電動(dòng)機(jī)
王宗培1，陳敏祥2
(1.珠海運(yùn)控電機(jī)有限公司，珠海519000；2．浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027)
摘要：近代無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)沒有滑動(dòng)電接觸，具有調(diào)速方便和轉(zhuǎn)矩控制性能好等
類似直流電動(dòng)機(jī)的特性，已成為近代運(yùn)控電動(dòng)機(jī)的主流。但是它本質(zhì)上是具有自同步功能的交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，與真正的直流電動(dòng)機(jī)相比較仍有二個(gè)弱點(diǎn)，一是繞組電感限制電動(dòng)機(jī)的極限功率輸出，二是電樞交流電流實(shí)時(shí)檢測和控制不方便。提出了新一代BLDCM的設(shè)想，即具有理想直流電樞繞組電路的電子換向電動(dòng)機(jī)，并對(duì)其旋轉(zhuǎn)磁場一機(jī)械特性和轉(zhuǎn)矩控制性方式進(jìn)行了分析，有助于對(duì)其本質(zhì)的理解。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)；永磁同步電動(dòng)機(jī)；電子換向電動(dòng)機(jī)；機(jī)械特性；轉(zhuǎn)矩控制
1直流電動(dòng)機(jī)無刷化的夢
由于最早得到廣泛應(yīng)地用的電能是直流電，所以最早發(fā)明的電動(dòng)機(jī)便是直流電動(dòng)機(jī)。19世紀(jì)90年代認(rèn)識(shí)了交流電和三相交流電的輸送和分配，隨之便產(chǎn)生了交流電動(dòng)機(jī)。三相籠型交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)又方便，很快在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)完成機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為基本功能的電動(dòng)機(jī)，還不斷提出越來越高的運(yùn)動(dòng)控制方面的要求，其中最主要的要求是調(diào)速方便和轉(zhuǎn)矩控制性能良好。直流電動(dòng)機(jī)恰好具有這樣的特點(diǎn)。于是從20世紀(jì)30年代開始，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)便逐步發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)又方便的異步電動(dòng)機(jī)，在20世紀(jì)很長一段時(shí)間內(nèi)，主要應(yīng)用在不調(diào)速或簡單調(diào)速的場合，在調(diào)速系統(tǒng)中占統(tǒng)治地位的則是直流電動(dòng)機(jī)。
然而直流電動(dòng)機(jī)存在機(jī)械換向器以及與電刷的滑動(dòng)電接觸，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)麻煩，使用環(huán)境受限，在向離轉(zhuǎn)速、高電壓和大容量方向發(fā)展時(shí)也受到限制，成為它固有的弱點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如此突出，弱點(diǎn)如此明顯，所以從一開始，也就是20世紀(jì)30年代起，人們便有了直流電動(dòng)機(jī)無刷化的夢，著手進(jìn)行無機(jī)械換向器或無滑動(dòng)電接觸直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研究。受當(dāng)時(shí)客觀條件的限制，在較長一段時(shí)間內(nèi)，這方面研究的展不大，直到20世紀(jì)70年代，電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)有了較大的發(fā)展，為無刷化的研究提供了基礎(chǔ)，可實(shí)際應(yīng)用的無刷直流電動(dòng)機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生，并很快發(fā)展，在運(yùn)控電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域形成逐步取代傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)之勢，直到20世紀(jì)末已成為當(dāng)代運(yùn)控電動(dòng)機(jī)的主流[1]。那么直流電動(dòng)機(jī)無刷化的夢已圓滿實(shí)現(xiàn)了嗎?作為當(dāng)前運(yùn)控電動(dòng)機(jī)主流產(chǎn)品的是正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)(通常被稱
為交流伺服電動(dòng)機(jī))已經(jīng)達(dá)到運(yùn)控電動(dòng)機(jī)的頂峰了嗎?本文將從電機(jī)學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)相關(guān)的問題作一些基礎(chǔ)性的討論和探討。
2無刷直流還是永磁同步
無刷直流電動(dòng)機(jī)從上世紀(jì)70年代開始快速發(fā)展，到20世紀(jì)末已趨成熟和完善，在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用并產(chǎn)業(yè)化。目前主流產(chǎn)品的典型結(jié)構(gòu)為：①電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子與標(biāo)準(zhǔn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)一樣，定子上有三相繞組，轉(zhuǎn)子磁極采用多極磁環(huán)、表貼式磁瓦或不同特點(diǎn)的內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)；②直流電源通過功率開關(guān)管構(gòu)成的三相橋電路或者說三相逆變驅(qū)動(dòng)器給定子三相繞組供電；③轉(zhuǎn)子角位置傳感器通常采用的主要有霍爾元件光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器；轉(zhuǎn)子位置反饋信息通過邏輯轉(zhuǎn)換或其他控制環(huán)節(jié)控制功率開關(guān)管的通斷或加到繞組電路上電壓和電流的相位和幅值。
電機(jī)學(xué)科的研究者，通常認(rèn)為近代無刷直流電動(dòng)機(jī)“實(shí)質(zhì)上是交流電動(dòng)機(jī)”[2]。具體一點(diǎn)講是交流永磁同步電動(dòng)機(jī)。逆變器提供方波或正弦波電壓驅(qū)動(dòng)，在正弦驅(qū)動(dòng)的情況下，電樞繞組電路的電壓和電流都是正弦波與標(biāo)準(zhǔn)的同步電動(dòng)機(jī)沒有二樣，只不過不是在恒定頻率電源條件下運(yùn)行。由于位置傳感器控制逆變器，使電動(dòng)機(jī)自同步運(yùn)行，因而可以方便地調(diào)壓調(diào)速，且具有類似直流電動(dòng)機(jī)的特性。在方波驅(qū)動(dòng)情況下，繞組電路的外加電壓是三相方波，仍是三相交流電壓，其中的基波分量仍起主要作用，與外加三相正弦波電壓的電動(dòng)機(jī)并沒有原則性的區(qū)別，同樣為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，在位置傳感器控制逆變器條件下自同步運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)[3]。文獻(xiàn)[4]作者對(duì)BLDcM的名稱提出質(zhì)疑，同時(shí)也不認(rèn)可交流永磁同步的說法，提出應(yīng)稱為“交流箝位電動(dòng)機(jī)”。該文作者的分析首先確認(rèn)BIlI]cM是交流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)然和異步(感應(yīng))電動(dòng)機(jī)聯(lián)系不上；和工頻電源條件下工作的同步電動(dòng)機(jī)相比，運(yùn)行特性和特征有所不同，給一個(gè)有特色的稱謂也不妨，但如果認(rèn)定是與異步電動(dòng)機(jī)及同步電動(dòng)機(jī)并列的另一類交流電動(dòng)機(jī)，則還值得商榷。
方波和正弦波驅(qū)動(dòng)的近代BLDcM，用位置傳感器控制的功率開關(guān)管組件替代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)中的機(jī)械換向器和電刷，達(dá)到自同步運(yùn)行， |
