參數(shù)對(duì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的影響
莫會(huì)成 (西安微電機(jī)研究所)
勵(lì)鶴鳴 陳世坤 (西安交通大學(xué))
【 摘 要】從永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本工作原理出發(fā)，闡述換向角與電動(dòng)機(jī)各矢量之間的關(guān)系，并根據(jù)所得的矢量圖，分析不考慮凸極和考慮凸極效應(yīng)時(shí)電機(jī)參數(shù)對(duì)電機(jī)的機(jī)械特性、效率及功率因數(shù)等特性的影響。給出計(jì)算實(shí)例，得出了一些有用的結(jié)論和計(jì)算公式。
【敘 詞】無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)永磁電機(jī)參數(shù)計(jì)算
l 引言
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是應(yīng)用電子換向代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的換向器和電刷，定子采用多相交流繞組代替有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的直流繞組，轉(zhuǎn)子上安裝永磁磁極。因此它不僅保持了有刷直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能，而且還具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、出力大、體積小、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)。因而近年來(lái)發(fā)展很快，已廣泛使用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、紡織、機(jī)械、工業(yè)自動(dòng)化及軍用武器裝備等各個(gè)領(lǐng)域中。
一般認(rèn)為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能和永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能相似，相當(dāng)于并激直流電動(dòng)機(jī)，有較硬的機(jī)械特性，且通常也只考慮電阻對(duì)特性的影響，忽略或較少考慮電感的影響。實(shí)際上，由于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子上采用了多相交流繞組，轉(zhuǎn)子部分為永磁體結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)與永磁同步電動(dòng)機(jī)極為相似.于參與換向的繞組為一相繞組，而不是單個(gè)線圈，因此電感較大，往往不能忽略，否則在分析時(shí)就會(huì)造成很大誤差，甚至得出錯(cuò)誤的結(jié)論。本文針對(duì)三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兩種基本的結(jié)構(gòu)形式，討論電阻rs、電感l(wèi)和換向角δ等參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性、效率，功率因數(shù)等特性的影響，并給出計(jì)算實(shí)例，得出一些有用的結(jié)論和實(shí)用的計(jì)算公式。
2基本原理和結(jié)構(gòu)
盡管永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但最常見(jiàn)的還是定子采用三相y連接繞組，逆變器為橋式逆變器結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，通常電動(dòng)機(jī)有兩種基本運(yùn)行狀態(tài)，即120o導(dǎo)通狀態(tài)和180o導(dǎo)通狀態(tài)。120o導(dǎo)通狀態(tài)
的特點(diǎn)是每個(gè)時(shí)刻電動(dòng)機(jī)有兩相繞組導(dǎo)通，逆變器只有兩個(gè)橋臂上下各一晶體管導(dǎo)通，各相繞組的導(dǎo)通順序?yàn)閍b、ac、bc、ba、ca、cb。180。導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)每一時(shí)刻三相繞組都導(dǎo)通，逆變器3個(gè)橋臂各有1個(gè)晶體管導(dǎo)通，電機(jī)繞組的導(dǎo)通順序?yàn)閍bc、abc、abc、abc、abc、abc。但是，不論哪一種導(dǎo)通方式，其運(yùn)行原理都是相同的，因?yàn)閮煞N導(dǎo)通狀態(tài)均每隔60o換相一次，形成一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)，一個(gè)周期被分成6個(gè)狀態(tài)。也就是說(shuō)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)1個(gè)周期，電機(jī)定子的磁場(chǎng)中心線變化6次，形成定子的步進(jìn)磁場(chǎng)。在每一導(dǎo)通狀態(tài)，定子磁場(chǎng)中心線(忽略電感時(shí))與永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)中心線之間的夾角變化60。電角度，如圖2所示。根據(jù)(α1+α2)是大于180。、等于180。還是小于180o三種情況，分別稱(chēng)之為超前、正常和滯后三種換向型式。而換向的時(shí)刻和順序則是由轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置來(lái)保證的。
 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有各種各樣的形式，從對(duì)參數(shù)和電氣性能的影響的角度考慮則只有兩種基本形式，其典型結(jié)構(gòu)如圖3a和圖3b所示。第一種結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子表面粘貼瓦形或環(huán)形永磁體，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)直接進(jìn)入氣隙而形成氣隙磁場(chǎng)。由于一般采用高性能稀土永磁材料，因而電機(jī)的等效氣隙較大，其凸極效應(yīng)可以忽略不計(jì)。另一種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為內(nèi)嵌式或隱極式，這種結(jié)構(gòu)永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)不是直接進(jìn)入氣隙，而是經(jīng)過(guò)極靴或?qū)Т朋w進(jìn)入氣隙，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)較大，不能忽略，與凸極同步電動(dòng)機(jī)相似。
3不考慮凸極效應(yīng)時(shí)的性能分析
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)采用圖3a所示結(jié)構(gòu)時(shí)，其凸極效應(yīng)可以忽略，設(shè)ld和lq分別代表直軸和交軸電感，因而這時(shí)有：
同時(shí)假定電機(jī)三相繞組的電壓為正弦波，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)也為正弦波，也就是忽略高次諧波的影響。從圖2磁場(chǎng)關(guān)系圖可看出，所謂的磁場(chǎng)中心線實(shí)際上就是定子電壓矢量，且在一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)中也轉(zhuǎn)過(guò)了60 。電角度，而不是位置不變。即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)，兩者之間的 |
