無刷直流電機的結構與特性

2020-12-05 東弘機電官網

無刷直流電機的電機本體在結構上與看永磁同步電機類似，只是沒籠型繞組和它的啟動裝置。它的定子繞組可以是簡單的單相，也可以使三相以上的結構，電樞繞組的連接方式主要有星形和三角形連接兩種，電子換相電路一般有橋式和非橋式兩種，它們可以組成很多變化形式。下面就是最常見的兩兩三相星形六狀態永磁無刷直流電機的工作原理簡單分析。

三相兩極無刷直流電機的結構

A、B、C為三相定子繞組，分別與電子開關線路中的功率開關器件V1,V2,V3相連接，電動機的轉軸上安放著位置傳感器的跟蹤轉子。VP1、VP2和VP3在空間商相差120度均勻分布在無刷直流電機的一端，通過電機轉軸上的旋轉遮光板的作用，根據某一光電器件是否被光線照射來 此時轉子磁極的位置。

假使某一時刻，定子繞組的A相通電，該電流與轉子上的永磁體所產生的主磁場相互作用而產生電磁轉矩，從而轉子旋轉，轉子磁鋼的位置同通過位置傳感器變成電信號，然後去控制電子開關線路，這樣定子的各相繞組會依次導通，定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相。這樣，電子開關線路的導通次序能夠和轉子轉角同步，達到機械換向得效果。

無刷直流電機的數學模型

三相兩極無刷直流電機，內轉子結構，定子繞組星形連接，同時3個霍爾元件在空間上相差120度均勻分布。同時，假設電機有如下特性：

（1） 電機的磁路沒有飽和，忽略渦流效應、磁滯損耗和電樞反應；

（2） 不及齒槽轉矩的影響；

（3） 控制電路中的功率器件均為理想開關器件。

電壓方程

在以上假設成立的前提下，電機定子每相繞組的相電壓和電阻上的壓降和繞組的感應電勢組成，定子電壓的平衡方程為

式中，ea 、eb、ec分別為定子各相的反電動勢；

ia、ib、ic分別為定子各相的電流;

Ua、Ub、Uc分別為定子各相的電壓

Ra、Rb、Rc 分別為定子各相的繞組電阻

La、Lb、Lc 分別為定子各相的繞組電感

Lab、 Lac、 Lba、 Lbc、 Lca 、Lcb 分別為定子各相繞組的互感。

由於無刷直流電機的轉子式永磁體，假設它的三相繞組相互對稱，同時忽略阻間的影響，即繞組間的互感為常數，則可以得到La=Lb=Lc, Ra=-Rb=Rc=R,

Lab= Lac= Lba= Lbc= Lca =Lcb=M。此時可以寫成

而ia、ib、ic=0，整理得

式中L=Ls-M

反電動勢方程

在物理學中，單根導體切割磁場中的磁力線所產生的電動勢e為

e=Blv

式中，B為磁場強度；

L為導體在磁場中的運動時的有效長度

V為導體中的垂直磁場方向上的線速度

在無刷直流電機中，轉速n與v如下的關係

V=2πR′n/60

式中, R′為繞組旋轉半徑。

假設繞組的每個相匝數為Wф，由於每組繞組有兩根導體，則每相繞組的感應電動勢為：

Eф=2eWф

綜合上述公司，則得到轉速n與感應電動勢Eф的關係式為：

Eф則=BlπR′Wф /15*n

轉矩方程

當直流電機處於正常工作狀態時，電磁轉矩是指電樞繞組通電後，導體與永磁體相互作用產生的轉矩。當電機正常工作時，繞組有兩相保持同時導通，所以電磁功率Pm為：

Pm=2EpIp

不計電流換相的影響，則電機的電磁轉矩Te 為：

Te= Pm/Wi/Np =2npEpIp/W1=2npψp Ip

式中，Ep為無刷直流電機的電動勢峰值；

Ip為電機的電流峰值

Ψp為電機的電磁磁鏈的峰值

由公式可以看出，電機的電磁轉矩和峰值電流成正比

運動方程

一般情況下，系統的運動方程為

Te – TL –Zw=J*dw/dt

式中，Te、TL為電機的電磁轉矩和負載轉矩

W為電機的角速度；

Z為粘滯摩擦係數

J為電機轉子的轉動慣量

無刷直流電機的特性分析

起動特性

起動時，由於反電動勢為零，因此電樞電流為：

I=Ud -2△U/2R

式中，Ud為電機導通的兩相繞組的線電壓；

△ U為控制電路中的功率壓降；

R為電機定子繞組的內阻

由於內阻較小，起動時電樞電流迅速增加，所以起動電磁轉矩很大，可以迅速啟動，還可以在負載狀態下直接啟動。當轉速變大時，電樞反感使感應電動勢變大，電機的轉矩減小，加速轉速也隨之減小，最後進入正常的工作狀態，此時轉速和電樞電流穩定。

當電機空載啟動時，轉速和電樞電流隨時間的變化曲線如圖

機械特性

機械特性是指在直流電壓Ud不變時，電機的轉速和電磁的轉矩之間的關係，則無刷直流電機的機械特性方程式為：

n=15/ BlπR′Wф方(U-RI-L dI/dt)

整理後可得：

n=30/π* Kt Ud – 2RTe/Ke Kt

式中，Kt為電機的轉矩係數

Ke係為電機的感應電動勢係數

Ud為線電壓

可以看出，轉速和電磁轉矩之間呈線性關係。但在實際運行過程中，當電磁轉矩變大時，電樞反應會產生一定的去磁作用，同時考慮到驅動控制電路的功率器件具有非線性，所以電機的機械特性曲線末端會向下彎曲。

無刷直流電機的機械特性曲線如圖所示

調節特性

調節特性是指在電機的電磁轉矩恆定時，電機的轉速和外加電壓之間的變化關係。當無刷直流電機處於穩定狀態時，忽略驅動控制電路的功率器件的損耗，有如下的關係

Ud=raI +π/30*Ken

KTI-TL=π/30Zn

則轉速和電壓的關係為

N=30/30 KTKe+πraZ*(KT Ud –ra –TL)

由此，可以得到在不同的電磁轉矩Te下，無刷直流電機的轉速隨著Ud變化的曲線,Te1< Te21< Te3< Te4

無刷直流電機有著良好的控制性能，但是當Ud較小時，電磁轉矩也較小，電磁轉矩也較小，無法克制負載轉矩，電機不能啟動，所以電機的轉速為零，當Ud增加到超過門線電壓時，電機開始啟動並逐漸運行至穩態，當Ud越大，轉速也越大。同時由於摩擦力的存在，所以調節特性不會經過原點。

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