波形匹配對無刷直流電動機性能的影響
劉元度（航空航天部六一八所）
【摘要】闡述當氣隙磁場為正弦分布和定子繞組電流為準方波時，在永磁無剛直流電動機機械特性的高速段引起的非線性，并對此非線性進行了理論計算。經(jīng)一臺15w三相三狀態(tài)稀土永磁無刷直流電動機的試驗，證明了計算結果的正確性。文中還計算了永磁無刷直流電動機的空載轉速和繞組導角的關系，并提出了機械特性高速段非線性的改善措施。
【主題詞】無刷直流電動機，永磁電機，波形，匹配，理論，計算，性能
l 引 言
有刷永磁直流電動機以其效率高、單位體積輸出功率大，而得到廣泛的應用。特別是永磁直流力矩電動機，更以它的空載轉速低，單位體積輸出轉矩大而月于直接驅動負載，簡化了減速機構，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。但是，這類電機有一個****的缺點，就是需要電刷和換向器，由此而引起電刷磨損，刷粉污染局部環(huán)境，降低鐵心和繞組間的絕緣電阻，電刷和換向器間的接觸電阻不穩(wěn)定，增加了摩擦轉矩，而且這一轉矩不穩(wěn)定等。永磁直流驅動電動機的國家標準規(guī)定，在電動機的壽命期內，可以更換兩次電刷。永磁直流力矩電動機的國家標準規(guī)定，在壽命試驗中，每工作2dh，可以清理一次電刷和換向器。這類措施對于電動機的正常工作是有效的，但是對于使用者，要進行這項工作是很困難的，有時甚至不可能。這樣，電刷的使用期實際上限制了電動機的壽命。無刷直流電動機的出現(xiàn)。正是為了解決這一矛盾。這類具有同步電機結構，又有永磁直流電機外特性的電機，實際上是一種功角恒定的變頻同步電機，其頻率和功角的大小由與其同軸的位置傳感器決定。由于取消了電刷和換向器，使其故障間隔平均時間(mtbf)由有刷時的400h提高到20000h，同時降低了噪音，便于散熱等。
無刷直流電機的發(fā)展和稀土永磁材料及功率電子器件的發(fā)展息息相關。從60年代末的第一代稀土永磁材料（1：5型稀土永磁）到1983年和第三代稀土永磁材料（釹鋏硼永磁材料）僅僅用了1o多年時間。不久前，50mgo的永磁材料已在實驗室研制出來。在功率電子器件方面，高壓、大電流、小體積的半導體器件不斷出現(xiàn)。這些因素對于無刷直流電機在航空航天飛行器主控制伺服系統(tǒng)中的應用及其智能化起著決定性的作用，為全電飛行器的研制創(chuàng)造了必要的條件。
無刷直流電動機的種類很多，它們的相數(shù)、控制方式和傳感器的原理等各不相同。按其功能，它們可分為驅動和伺服兩類。當前使用的無刷直流電動機，相當大部分用于驅動負載作恒速運動。對于這類電動機的基本要求是：在一定的輸出功率下，盡可能地提高其效率和減少有效材料的用量，特別是減少稀土材料的用量。對于伺服類無刷電動機，除了上述基本要求以外，還需要有較好的低速平穩(wěn)性，較好的機械特性線性度等。影響這些性能的因素很多，本文考慮到當繞組反電勢的瞬時值大于外加電壓時，定子繞組電流為零這一事實，在氣隙磁場為正弦分布和定子繞組電流為準方波的情況下，空載轉速附近永磁無刷直流電動機機械特性的計算，并在一臺三相三狀態(tài)稀土永磁無刷直流電動機上對計算結果的正確性作了試驗驗證。本文還計算了這類電動機的空載轉速和繞組導通角的關系。最后，簡要地提出了機械特性高速段非線性的改善措施。
2理論計算
假設
a．磁路為線性。
b．氣隙磁場為正弦分布。
c·定子繞組的電感忽略不計。
d．與定子繞組串聯(lián)的功率管處于開關工作狀態(tài)。在導通狀態(tài)時，忽略其管壓降。
當無劇直流電動機的控制電路處于開關工作狀態(tài)時，加在其繞組兩端的電壓為方波，但是氣隙磁場在繞組中產(chǎn)生的反電勢為正弦波。下面計算在不同的轉速時，這兩種波形相互作用產(chǎn)生的平均電流和平均轉矩。
設繞組的導通角，最小允許導通角值與相數(shù)、繞組的連接和控制方式有關。反電勢的瞬時值與繞組端電壓相等時的導通角。
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