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直流无刷电机的工作原理与特性

发布日期: 2018-7-13 17:05:12 浏览次数:1982

    直流无刷电机的电机本体在结构上与看永磁同步电机类似,只是没笼型绕组和它的启动装置。它的定子绕组可以是简单的单相,也可以使三相以上的结构,电枢绕组的连接方式主要有星形和三角形连接两种,电子换相电路一般有桥式和非桥式两种,它们可以组成很多变化形式。下面就是最常见的两两三相星形六状态永磁直流无刷电机的工作原理简单分析。


三相两极直流无刷电机的结构




ABC为三相定子绕组,分别与电子开关线路中的功率开关器件V1,V2,V3相连接,电动机的转轴上安放着位置传感器的跟踪转子。VP1VP2VP3在空间商相差120度均匀分布在无刷直流电机的一端,通过电机转轴上的旋转遮光板的作用,根据某一光电器件是否被光线照射来 此时转子磁极的位置。

  假使某一时刻,定子绕组的A相通电,该电流与转子上的永磁体所产生的主磁场相互作用而产生电磁转矩,从而转子旋转,转子磁钢的位置同通过位置传感器变成电信号,然后去控制电子开关线路,这样定子的各相绕组会依次导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。这样,电子开关线路的导通次序能够和转子转角同步,达到机械换相得效果。


 

无刷直流电机的数学模型

三相两极无刷直流电机,内转子结构,定子绕组星形连接,同时3霍尔元件在空间上相差120度均匀分布。同时,假设电机有如下特性:

(1)    电机的磁路没有饱和,忽略涡流效应、磁滞损耗和电枢反应;

(2)    不及齿槽转矩的影响;

(3)    控制电路中的功率器件均为理想开关器件。

 电压方程

  在以上假设成立的前提下,电机定子每相绕组的相电压和电阻上的压降和绕组的感应电势组成,定子电压的平衡方程为

式中,ea 、eb、ec分别为定子各相得反电动势;

ia、ib、ic分别为定子各相的电流;

Ua、Ub、Uc分别为定子各相的电压

Ra、Rb、Rc 分别为定子各相的绕组电阻

La、Lb、Lc 分别为定子各相的绕组电感

Lab、 Lac、 Lba、 Lbc、 Lca 、Lcb 分别为定子各相绕组的互感。

由于无刷直流电机的转子式永磁体,假设它的三相绕组相互对称,同时忽略阻间的影响,即绕组间的互感为常数,则可以得到La=Lb=Lc, Ra=-Rb=Rc=R,

Lab= Lac= Lba= Lbc= Lca=Lcb=M。此时可以写成

而ia、ib、ic=0,整理得

式中L=Ls-M

反电动势方程

在物理学中,单根导体切割磁场中的磁力线所产生的电动势e为


             e=Blv

式中,B为磁场强度;

      L为导体在磁场中的运动时的有效长度

      V为导体中的垂直磁场方向上的线速度

在无刷直流电机中,转速n与v如下的关系

V=2πR′n/60

式中, R′为绕组旋转半径。

    假设绕组的每个相匝数为Wф,由于每组绕组有两根导体,则每相绕组的感应电动势为:

Eф=2eWф

综合上述公司,则得到转速n与感应电动势Eф的关系式为:

          Eф则=BlπR′Wф /15*n



转矩方程

   当直流电机处于正常工作状态时,电磁转矩是指电枢绕组通电后,导体与永磁体相互作用产生的转矩。当电机正常工作时,绕组有两相保持同时导通,所以电磁功率Pm为:


Pm=2EpIp

不计电流换相的影响,则电机的电磁转矩Te 为:

 Te= Pm/Wi/Np =2npEpIp/W1=2npψp Ip


式中,Ep为无刷直流电机的电动势峰值;

Ip为电机的电流峰值

Ψp为电机的电磁磁链的峰值

由公式可以看出,电机的电磁转矩和峰值电流成正比

运动方程

一般情况下,系统的运动方程为

Te – TL –Zw=J*dw/dt

式中,Te、TL为电机的电磁转矩和负载转矩

W为电机的角速度;

Z为粘滞摩擦系数

J为电机转子的转动惯量


无刷直流电机的特性分析

起动特性

起动时,由于反电动势为零,因此电枢电流为:

I=Ud -2△U/2R

式中,Ud为电机导通的两相绕组的线电压;

△    U为控制电路中的功率压降;

R为电机定子绕组的内阻

由于内阻较小,起动时电枢电流迅速增加,所以起动电磁转矩很大,可以迅速启动,还可以在负载状态下直接启动。当转速变大时,电枢反感使感应电动势变大,电机的转矩减小,加速转速也随之减小,最后进入正常的工作状态,此时转速和电枢电流稳定。


  当电机空载启动时,转速和电枢电流随时间的变化曲线如图

无刷直流电机的启动特性曲线

机械特性

机械特性是指在直流电压Ud不变时,电机的转速和电磁的转矩之间的关系,则无刷直流电机的机械特性方程式为:


      n=15/ BlπR′Wф方(U-RI-L dI/dt)


整理后可得:

n=30/π* Kt Ud – 2RTe/Ke Kt


式中,Kt为电机的转矩系数

Ke系为电机的感应电动势系数

Ud为线电压

可以看出,转速和电磁转矩之间呈线性关系。但在实际运行过程中,当电磁转矩变大时,电枢反应会产生一定的去磁作用,同时考虑到驱动控制电路的功率器件具有非线性,所以电机的机械特性曲线末端会向下弯曲。


无刷直流电机的机械特性曲线如图所示

无刷直流电机的机械特性曲线

调节特性

调节特性是指在电机的电磁转矩恒定时,电机的转速和外加电压之间的变化关系。当无刷直流电机处于稳定状态时,忽略驱动控制电路的功率器件的损耗,有如下的关系

Ud=raI +π/30*Ken

KTI-TL=π/30Zn


则转速和电压的关系为

N=30/30 KTKe+πraZ*(KT Ud –ra –TL)

由此,可以得到在不同的电磁转矩Te下,无刷直流电机的转速随着Ud变化的曲线,Te1< Te21< Te3

无刷直流电机的调节特性曲线

        无刷直流电机有着良好的控制性能,但是当Ud较小时,电磁转矩也较小,电磁转矩也较小,无法克制负载转矩,电机不能启动,所以电机的转速为零,当Ud增加到超过门线电压时,电机开始启动并逐渐运行至稳态,当Ud越大,转速也越大。同时由于摩擦力的存在,所以调节特性不会经过原点。

       以三相两级无刷直流电机为例,研究了它的工作原理,分析了它的具体换相过程。同时,通过分析无刷直流电机的数据模型和工作特性,加深了对无刷直流电机的理解

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