|
|
| 淺談現(xiàn)代無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī) |
| |
| |
眾所周知，交流同步電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行性能，但其啟動(dòng)性能差；交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，但其調(diào)節(jié)性能差；直流電動(dòng)機(jī)因其具有良好的調(diào)節(jié)性能和啟動(dòng)性能而被產(chǎn)業(yè)界廣泛地應(yīng)用。但是，對(duì)于有刷直流電動(dòng)機(jī)而言，由于存在電刷／換向器的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致造價(jià)高，并產(chǎn)生了換向火花、電磁干擾、壽命短和可靠性等問(wèn)題，從而又限止了它的使用范圍。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們希望能夠在保持有刷直流電動(dòng)機(jī)的良好調(diào)節(jié)性能和啟動(dòng)性能的前提下，消除其不足之處。20世紀(jì)五六十年代，微電子器件和電力電子器件方面的進(jìn)步和成果為實(shí)現(xiàn)這種理想創(chuàng)造了必要的條件。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的摸索，人們終于用電子換向代替了機(jī)械換向；把原先處于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)電樞轉(zhuǎn)變成處于外部的靜止電樞；把原先處于電動(dòng)機(jī)外部的靜止磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變成處于內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而使有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成了無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)(BLDcM)。
無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)(BLDcM)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。宏觀而言，無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)基本上具有相同的運(yùn)行機(jī)理：施加在電動(dòng)機(jī)上的電壓都是恒定不變的直流電壓，輸入電動(dòng)機(jī)的電流都是直流電流，作用在電樞線圈(又可稱元件)上的電壓極性和通過(guò)電樞線圈的電流方向都是交變的，電樞線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形基本上是相似的，方向都是交變的。因此，我們對(duì)兩者持有的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法基本上是一致的，只是某些具體的計(jì)算公式略有不同。
無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)(BLDcM)和有刷直流電動(dòng)機(jī)雖然具有相同的運(yùn)行機(jī)理，但在運(yùn)行性能方面存在著一定的差異：有刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的元件數(shù)和換向器的換向片數(shù)多于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的相數(shù)；在運(yùn)行過(guò)程中，有刷直流電動(dòng)機(jī)的磁極磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)始終處于正交狀態(tài)，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的磁極磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)在某一角度位置范圍內(nèi)變動(dòng)，正交狀態(tài)僅只是其中的一個(gè)瞬時(shí)位置。因此，在其他條件相同的情況下，在運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的力矩脈動(dòng)要大于有刷直流電動(dòng)機(jī)的力矩脈動(dòng)；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁力矩要小于有刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁力矩。
交流永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在著兩個(gè)磁場(chǎng)：一個(gè)是電樞磁場(chǎng)，另一個(gè)是由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁極磁場(chǎng)。當(dāng)三相電樞繞組內(nèi)通入三相電流時(shí)，便在定子內(nèi)腔的氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電樞磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度nc(r／min)取決于電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)2p和通入電流的頻率，(Hz)，它們之間有如下的關(guān)系式：f=pnc/60
當(dāng)定子電樞磁場(chǎng)以速度nc朝某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)在一定條件下就跟著以速度n旋轉(zhuǎn)。我們把轉(zhuǎn)速nc稱為同步速度，把轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n=％時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱為同步運(yùn)行狀態(tài)。所謂“同步”就是轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與定子電樞磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度同步,亦即是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與供電電壓的頻率同步。如果交流電網(wǎng)通過(guò)整流器／逆變器環(huán)節(jié)給交流永磁同步電動(dòng)機(jī)供電，同時(shí)在交流永磁同步電流機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè) 能夠檢測(cè)出轉(zhuǎn)子磁極位置的傳感器，利用其輸出信號(hào)來(lái)控制給電動(dòng)機(jī)三相電樞繞組供電的逆變器的輸出電壓的頻率，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，逆變器的輸出電壓的頻率也跟著變化。這意味著：在此情況下，電動(dòng)機(jī)的供電電壓的頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)了“同步”。可以把這種“同步”稱為自控式同步或自同步，把這種類型的交流永磁同步電動(dòng)機(jī)稱為自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)或自同步永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)。
1972年德國(guó)工程師針對(duì)交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的調(diào)節(jié)和控制，提出了坐標(biāo)變換和磁場(chǎng)取向控制(或稱矢量控制)的方法，從而為提高交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)控性能和拓展應(yīng)用范圍創(chuàng)造了新天地。就交流無(wú)刷永磁同步電動(dòng)機(jī)面言，矢量控制的本質(zhì)是：把定子a、6、c靜止坐標(biāo)系中的電樞電流向量i(或磁勢(shì)向量E和磁通向量φ)，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法，將其轉(zhuǎn)換到以轉(zhuǎn)子磁極為參考的d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量isd和ISD變換后的定子電樞電流的兩個(gè)分量相對(duì)轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)是靜止不動(dòng)的，它們之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。變換后的定子電樞電流的直軸分量is對(duì)轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)起到增磁或去磁的作用；變換后的定子電樞電流的交軸分量，和轉(zhuǎn)子磁極磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁力矩。因此，可以把isd稱為磁場(chǎng)分量，而把isd稱為力矩分量。這時(shí)，實(shí)際上已經(jīng)把原本靜止坐標(biāo)系中的交流永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的“直流永磁電動(dòng)機(jī)”。我們只需根據(jù)系統(tǒng)對(duì)isd和isq的大小需求，采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)或空間矢量脈寬調(diào)制(svPWM)技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)定子電樞電流向量i幅值和相位，就可以達(dá)到調(diào)控自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速的目的。
一般交流永磁同步電動(dòng)機(jī)是在微電子器件、電力電子器件、變流技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷自同步，即把一般交流永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成為自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)，獲得與傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的調(diào)節(jié)和啟動(dòng)性能；但是，電動(dòng)機(jī)本體內(nèi)部的電磁關(guān)系和運(yùn)行機(jī)理基本上沒(méi)有變化。因此，一般交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理念和計(jì)算方法基本上適用于自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)，只是設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)不同的技術(shù)要求，采取不同的實(shí)施策略和方案。
自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)與無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)(BLDcM)，就電動(dòng)機(jī)本體而言，基本上具有一樣的結(jié)構(gòu)：三相電樞繞組設(shè)置在定子上，永磁體磁極設(shè)置在轉(zhuǎn)子上。在一般情況下，我們把采用非橋式逆變電路或120°導(dǎo)通型的三相半橋逆變電路作為驅(qū)動(dòng)電源，給電動(dòng)機(jī)提供矩形波直流驅(qū)動(dòng)電壓；一般情況下，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，三相電樞繞組中一相一相輪流接通或兩相兩相輪流接通，在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生“跳躍式”旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的永磁電動(dòng)機(jī)稱為無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。
在無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，希望能夠獲得近似于梯形波的氣隙磁場(chǎng)，以便減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的力矩脈動(dòng)；把采用180。導(dǎo)通型的三相半橋逆變電路作為驅(qū)動(dòng)電源，借助正弦調(diào)制和空間矢量調(diào)制技術(shù)，給電動(dòng)機(jī)提供脈寬調(diào)制的交流驅(qū)動(dòng)電壓；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，三相電樞繞組同時(shí)接通，在電樞繞組內(nèi)流過(guò)接近正弦波的交流電流，在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生“連續(xù)式”旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的永磁電動(dòng)機(jī)稱為自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)。在自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，希望能夠獲得近似于正弦波的氣隙磁場(chǎng)，以便減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的力矩脈動(dòng)。
目前，各種類型的永磁電動(dòng)機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，例如在家用電器、情報(bào)信息機(jī)械、汽車工業(yè)、造紙工業(yè)、紡織工業(yè)、精密機(jī)床工業(yè)和軍事工業(yè)等制造領(lǐng)域內(nèi)得到了
廣泛的應(yīng)用，并正處于大力發(fā)展的階段。本書將著重分析和深入研討無(wú)刷直流永磁電動(dòng)
機(jī)和自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本理論、設(shè)計(jì)方法和它們的選用，希望對(duì)在此領(lǐng)域內(nèi)從
事設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的工程技術(shù)人員有所幫助，并從中有所受益。
|
| |
|
