參數(shù)對永磁無刷直流電動機穩(wěn)態(tài)性能的影響
莫會成 (西安微電機研究所)
勵鶴鳴 陳世坤 (西安交通大學(xué))
【 摘 要】從永磁無刷直流電動機基本工作原理出發(fā)，闡述換向角與電動機各矢量之間的關(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)時電機參數(shù)對電機的機械特性、效率及功率因數(shù)等特性的影響。給出計算實例，得出了一些有用的結(jié)論和計算公式。
【敘 詞】無刷直流電動機永磁電機參數(shù)計算
l 引言
永磁無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)特點是應(yīng)用電子換向代替了有刷直流電動機的換向器和電刷，定子采用多相交流繞組代替有刷直流電動機轉(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機的各項性能，而且還具有壽命長、可靠性高、出力大、體積小、動態(tài)性能好等特點。因而近年來發(fā)展很快，已廣泛使用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人、紡織、機械、工業(yè)自動化及軍用武器裝備等各個領(lǐng)域中。
一般認(rèn)為永磁無刷直流電動機的穩(wěn)態(tài)性能和永磁有刷直流電動機的穩(wěn)態(tài)性能相似，相當(dāng)于并激直流電動機，有較硬的機械特性，且通常也只考慮電阻對特性的影響，忽略或較少考慮電感的影響。實際上，由于永磁無刷直流電動機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)上來說與永磁同步電動機極為相似.于參與換向的繞組為一相繞組，而不是單個線圈，因此電感較大，往往不能忽略，否則在分析時就會造成很大誤差，甚至得出錯誤的結(jié)論。本文針對三相永磁無刷直流電動機兩種基本的結(jié)構(gòu)形式，討論電阻rs、電感l(wèi)和換向角δ等參數(shù)對電動機機械特性、效率，功率因數(shù)等特性的影響，并給出計算實例，得出一些有用的結(jié)論和實用的計算公式。
2基本原理和結(jié)構(gòu)
盡管永磁無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但最常見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，通常電動機有兩種基本運行狀態(tài)，即120o導(dǎo)通狀態(tài)和180o導(dǎo)通狀態(tài)。120o導(dǎo)通狀態(tài)
的特點是每個時刻電動機有兩相繞組導(dǎo)通，逆變器只有兩個橋臂上下各一晶體管導(dǎo)通，各相繞組的導(dǎo)通順序為ab、ac、bc、ba、ca、cb。180。導(dǎo)通狀態(tài)時，電動機每一時刻三相繞組都導(dǎo)通，逆變器3個橋臂各有1個晶體管導(dǎo)通，電機繞組的導(dǎo)通順序為abc、abc、abc、abc、abc、abc。但是，不論哪一種導(dǎo)通方式，其運行原理都是相同的，因為兩種導(dǎo)通狀態(tài)均每隔60o換相一次，形成一個導(dǎo)通狀態(tài)，一個周期被分成6個狀態(tài)。也就是說電動機旋轉(zhuǎn)1個周期，電機定子的磁場中心線變化6次，形成定子的步進磁場。在每一導(dǎo)通狀態(tài)，定子磁場中心線(忽略電感時)與永磁轉(zhuǎn)子的磁場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，分別稱之為超前、正常和滯后三種換向型式。而換向的時刻和順序則是由轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置來保證的。
永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有各種各樣的形式，從對參數(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)生的磁場直接進入氣隙而形成氣隙磁場。由于一般采用高性能稀土永磁材料，因而電機的等效氣隙較大，其凸極效應(yīng)可以忽略不計。另一種結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)嵌式或隱極式，這種結(jié)構(gòu)永磁體產(chǎn)生的磁場不是直接進入氣隙，而是經(jīng)過極靴或?qū)Т朋w進入氣隙，這時電動機的凸極效應(yīng)較大，不能忽略，與凸極同步電動機相似。
3不考慮凸極效應(yīng)時的性能分析
永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)采用圖3a所示結(jié)構(gòu)時，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，因而這時有：
同時假定電機三相繞組的電壓為正弦波，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的永磁磁場也為正弦波，也就是忽略高次諧波的影響。從圖2磁場關(guān)系圖可看出，所謂的磁場中心線實際上就是定子電壓矢量，且在一個導(dǎo)通狀態(tài)中也轉(zhuǎn)過了60 。電角度，而不是位置不變。即轉(zhuǎn)子磁場和定子電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)，兩者之間的 |
