波形匹配對無刷直流電動機(jī)

    性能的影響

劉元度(航空航天部六一八所)

    【摘要】闡述當(dāng)氣隙磁場為正弦分布和定子繞組電流為準(zhǔn)方波時，在永磁無刷直流電動機(jī)機(jī)械特性的高速段引起的非線性，并對此非線性進(jìn)行了理論計算。經(jīng)一臺l 5w三相三狀態(tài)稀土永磁無刷直流電動機(jī)的試驗，證明了計算結(jié)果的正確性。文中還計算了永磁無刷直流電動機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和繞組導(dǎo)通角的關(guān)系，并提出了機(jī)械特性高速段非線性的改善措施。

     【主題詞】無刷直流電動機(jī)，永磁電機(jī)，波形。匹配，理論，計算，性能

l  引  言

    有刷永磁直流電動機(jī)以其效率高、單位體積輸出功率大，而得到廣泛的應(yīng)用。特別是永磁直流力矩電動機(jī)，更以它的空載轉(zhuǎn)速低，單位體積輸出轉(zhuǎn)矩大而用于直接驅(qū)動負(fù)載，簡化了減速機(jī)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。但是，這類電機(jī)有一個****的缺點，就需要電刷和換向器，由此而引起電刷磨損，刷粉污染局部環(huán)境，降低鐵心和繞組問的絕緣電阻，電刷和換向器間的接觸電阻不穩(wěn)定，增加了摩擦轉(zhuǎn)矩，而且這一轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定等。永磁直流驅(qū)動電動機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在電動機(jī)的壽命期內(nèi)．可以更換兩次電刷。永磁直流力矩電動機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在壽命試驗中．每工作24h，可以清理一次電刷和換向器。這類措施對于電動機(jī)的正常工作是有效的，但是對于使用者，要進(jìn)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(jī)的壽命。無刷直流電動機(jī)的出現(xiàn)。正是為了解決這一矛盾。這類具有同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，又有永磁直流電機(jī)外特性的電機(jī)，實際上是一種功角恒定的變頻同步電機(jī)，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(jī)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(guān)。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(釹鐵硼永磁材料)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(dǎo)體器件不斷出現(xiàn)。這些因素對于無刷直流電機(jī)在航空航天飛行器主控制伺服系統(tǒng)中的應(yīng)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(jī)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(qū)動和伺服兩類。當(dāng)前使用的無刷直流電動機(jī)，相當(dāng)大部分用于驅(qū)動負(fù)載作恒速運動。對于這類電動機(jī)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(jī)．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(jī)械特性線性度等。影響這些性能的因素很多．本文考慮到當(dāng)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(zhǔn)方波的情況下，空載轉(zhuǎn)速附近永磁無刷直流電動機(jī)機(jī)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(jī)上對計算結(jié)果的正確性作了試驗驗證。本文還計算了這類電動機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和繞組導(dǎo)通角的關(guān)系。最后，簡要地提出了機(jī)械特性高速段非線性的改善措施。

2理論計算假設(shè)  

    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(guān)工作狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)時，忽略其管壓降。

    當(dāng)無刷直流電動機(jī)的控制電路處于開關(guān)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(zhuǎn)速時，這兩種波形相互作用產(chǎn)生的平均電流和平均轉(zhuǎn)矩。

    設(shè)繞組的導(dǎo)通角為0，最小允許導(dǎo)通角為0₀，0₀的值與相數(shù)、繞組的連接和控制方式有關(guān)。0為反電勢的瞬時值與繞組端電壓相等時的導(dǎo)通角。

    可把機(jī)械特性分布為兩部分：ω≤ω_r為低速部分；ω>ω_k為高速部分。

    ω——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率。l／s

      ω_k——繞組中的反電勢****值與其端電壓相等時的轉(zhuǎn)子