【文章內(nèi)容簡介】 電磁力應為:f=IBL () 式中I流過導體的電流 B磁通密度 L載流導體的有效長度這個力形成了作用在線圈上的電磁轉矩。根據(jù)左手定則。線圈在這個電磁轉矩的作用下，將按逆時針方向雷動。當載流導體轉過180電角度后，電流I還是從電刷A進去，經(jīng)由抽向片II，線圈dcba,到換向片I，最后仍從電刷B流出。可見，在有刷直流電動機中，就是借助電刷換向片中，使得在某一磁極下，雖然導體在不斷更替，但只有外加電壓的極性不變，由導體中流過的電流方向始終不變，作用在電樞上的電磁轉矩的方向不變，電動機的旋轉方向始終不變，這就是有刷直流電動機機械換向的本質(zhì)。 一般的無刷直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其作用是氣隙中建立磁場，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞反應磁場，由電力電子逆變器供給電樞繞組的電流并不是正弦波而是120度的方波，因而三相合成磁動勢不是恒速旋轉的，而是跳躍式的步進磁動勢。它和恒速旋轉的轉子磁動勢產(chǎn)生的轉矩除了平均轉矩之外，還有脈動分量。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個磁場的方向在電動機運動的過程中始終保持一定的角度，從而產(chǎn)生最大平均轉矩而驅動電動機不停地運轉，與直流有刷電動機不同，直流無刷電動機的電樞轉一圈，定子繞組只換相6次，每個極下?lián)Q相三次，相當于只有三個換向片的直流電動機。 圖（）逆變器主電路圖 電子換向逆變器主電路如圖（）示，AA、BB、CC代表直流無刷電動機的三相定子繞組，采用Y型連結，逆變器為兩兩通電方式，1200導電型。首先假設轉子處于圖（）(a)的位置，若此時使VV4導通，則電流從B端圖（）無刷直流電機的運行原理圖流入，A端流出，定子磁動勢為Fa，如圖（）(a)示，在Fa的作用下，轉子將順時針旋轉，轉到圖（）(b)的位置時，如果使vv5導通，則電流由c端流入，A端流出，定子磁動勢為Fb，在Fb的作用下，轉子將繼續(xù)順時針旋轉，依次類推，如果每隔60度電角度順序使v5和vv1和vv1和vv3和v2兩兩導通，即可使定子磁動勢分別如圖2()(c)、圖()(d)、圖()(e)、圖()(f)所示，從而形成旋轉磁動勢，在這個磁動勢的作用下，轉子也會隨之旋轉，如果使開關管反復按上述規(guī)律導通， 圖（）即可使轉子持續(xù)旋轉下去，且定子磁動勢總是超前于轉子磁極軸線角度60度一120度之間。其各相繞組導通示意圖如圖（）所示。由上述的分析可見，要使直流無刷電動機正確的換相運行，必須知道圖（）所示的六個轉子關鍵位置，六個轉子關鍵位置即對應著直流無刷電動機的反電動勢的過零點后的300(電角度)處。如果是有位置傳感器直流無刷電動機，則可以通過傳感器來直接獲得轉子的六個轉子關鍵位置的信息，如果是無位置傳感器無刷直流電動機，則需要通過直流無刷電動機的三相定子繞組的反電勢直接或間接的獲得轉子的位置信息。在無刷直流電動中，借助反映主轉子位置的位置傳感器的輸出信號，通過電子換向通天路去驅動懷電樞繞組聯(lián)接的相應的功率開關元件，使電樞繞組依次饋電，從而在主定子上產(chǎn)主生跳躍式的旋轉磁場，拖動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動機的無接觸式換流過程的實質(zhì)。下圖為無刷直電動機工作原理的方圖。直流電源控制電路永磁電機位置傳感器圖（）應該指出，在無刷直流電動機中，電樞繞組和相應的功率開關元件的數(shù)目不可能很多，所以，與有刷電動機相比，它產(chǎn)生的電磁轉矩波動要大一些 電樞繞組的連接方式 無刷直流電動機的電樞繞組與交流電動機的字子繞組類似，基本上有星形繞組和封閉式繞組兩類，它們的換向線路一般有上橋式和非橋式之分。這樣，電樞繞組與換向線路相組合時，其形式是多種多樣的。歸納起來可分為下列幾種：a. 星形繞組此類接法系把所有繞組的首端接在一起。 與它們相配合的電子換向線路可以為樣式連接也可以為非橋式連接。b. 封閉式繞組 封閉式繞組是由各相繞組組成封閉形，退職第一相繞組的尾端與第二相繞組的首端相連接，第二相繞組的尾端再與第三相繞組的首端相連接，依次類推，直至最后一相繞組的尾端又與第一相繞組的首端相連接。與它們相配合的電子換向為橋式。 換流線路基本設計 在無刷直流電動機中，來自位置傳感器的驅動信號，按照一定的邏輯，使某些功率開關元件在某一瞬間導通或截止，電樞繞組內(nèi)的電流發(fā)生跳變，從而改變主定子的磁狀態(tài)，我們把電樞繞組內(nèi)的這種電流化過程的物理現(xiàn)象稱這“換流”每換流一次，磁狀態(tài)就改變一次，這樣，在工作氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個跳躍式的旋轉磁場。為了使無刷直電動機可靠地運生，就應該正確地進行換流。由于換流是無刷直流電動機可靠運行的關鍵所在，故有必要對此作較詳細的分析。下面是本次設計所用到的換流繞組形式：圖（） 三相星形橋式接法，槽數(shù)及繞組方式的選擇 無別直流電動機結構與傳統(tǒng)直流電動機不同，是“反裝式”或“里翻外”結構。即電樞固定，磁極旋轉和永磁同步電動機結構更為相似。電樞鐵心也是由硅鋼片疊成，鐵心有齒槽．放置多相繞組，與有刷直流電動機不同，工作過程中(電流)應該是換相，而不是換向。在無刷電動機設計中，電樞繞組的相數(shù)、極數(shù)、槽數(shù)、繞組的排列及連接方式有較多選擇自由，不同選擇對電機性能有重要影響。本節(jié)簡述設計應遵從的規(guī)律和選擇時應注意的問題。相數(shù)選擇無刷直流永磁電動機和永磁同步電動機相似，電樞放置多相繞組，多相繞組由功率電子元件的開關電路供電，不受工頻電源限制，電樞繞組相數(shù)可在較大范圍內(nèi)選擇。繞組的相數(shù)可選二、三、四、五……直至十五相，但用得最多的是三相及四相，五相以上的相數(shù)用得較少。 繞組相數(shù)選擇應該考慮到：繞組的利用程度、電子開關電路的復雜程度及成本、轉矩脈動及電子元件應力等，根據(jù)不同的使用條件來綜合決定相數(shù)。11繞組利用程度 在有刷直流電動機運行的任何時刻繞組里所有導體都通電，除換向元件外，都產(chǎn)生轉矩。而在無刷直流電動機運行時繞組是依次一相一相通電(或幾相通電)產(chǎn)生轉矩，從這個角度看，相數(shù)越多，繞組利用程度越低。給出兩臺三相及四相單極型無刷直流電機對比，兩臺電機具有相同的尺寸、電壓、控制電路布局及鐵耗．四相電機轉矩密度大9％，用銅量增加36％。12電子線路復雜程度及成本 相數(shù)增加，所用開關元件數(shù)增加，電路復雜，成本也增高。13轉矩脈動 無刷直流電動機轉矩脈動比有刷電機大。相數(shù)越多．轉矩脈動就越小，研究和實驗表明相近的奇數(shù)相比偶數(shù)相轉矩脈動小。14電子元件的應力 在保證不同相數(shù)有相同的出力及電壓的前提下，隨相數(shù)增加．每相電流減少，因而元件的電應力減少。 極數(shù)選擇 無刷直流電動機的磁極對數(shù)戶與電機轉速n之間不像永隨同步電動機有著嚴格的如下式的對應關系： ()式中：f為同步電動機供電頻率。但無刷直流電機轉速與極對數(shù)(通過反電勢)有一定的約束關系，以三相星形橋式六狀態(tài)電路為例 理想空載轉速n。 () 式中： U電源電壓； 電子開關電路管壓降； W1 相繞組匝數(shù) 繞組系數(shù) 氣隙磁通在電機主要尺寸確定，選擇極對數(shù)時，應綜合考慮運行性能和經(jīng)濟指標，參照直流電機極對數(shù)選擇方法作幾個方案比較，而不是一個唯一定數(shù)。21極對數(shù)與材料利用率 若氣隙磁密及電摳直徑不變，2pФw實際不變。隨著極數(shù)增加，每極磁通減少，使得電摳軛及定子軛部減少．用銅用鐵量減少，所以外轉子低速運轉無刷電機多數(shù)選取極數(shù)較多。23 極對數(shù)與電機效率 隨著極對數(shù)增加，鐵芯磁場交變頻率增高，鐵耗增加，電子器件換向損耗增加。雖然電樞電流密度不變時，銅耗略有降低，電動機的效率還是隨著極對數(shù)的增加而降低。24 極對數(shù)與電感 極對數(shù)增多，電樞每相電感減少，對換相有利。槽數(shù)選擇 有些資料認為無刷直流電機的槽數(shù)應為相數(shù)和極對數(shù)的整數(shù)倍，這是針對微型無刷直流電動機注意采用整距集中繞組而言。例如二對極三相時指數(shù)應為12。為了構成多相對稱繞組，指數(shù)必須是相數(shù)的整數(shù)倍，但不一定是極數(shù)的整數(shù)倍。隨著功率增大或外轉子應用，為了改善電機性能，電樞繞組也可以采用分數(shù)繞組， 其中q為每相槽數(shù)，可為整數(shù)也可為分數(shù)。轉子位置傳感器在無刷直流電機中，主要起兩個作用。一是通過它檢測轉子所處的位置，以便確定電子換向及驅動線路的中功率晶體管的導通角；二是確定電子換向電路及驅動線路中功率晶體管的導通角，從而確定電樞磁場的磁狀態(tài)。這了實現(xiàn)這兩個目的，必須合理地設計轉子位置傳感器。這里我們主要就磁電式位置傳感器設計時要需要注意的問題作一簡要的介紹磁芯材樣的選擇磁電式位置傳感器實質(zhì)上是一個旋轉的變壓器，其原邊通的是頻率為幾十到幾百千赫的高頻電流，通過傳感器轉子扇形片的“耦合”作用，在副邊輸出同樣頻率的高頻信號。如此，傳感器的定轉子磁芯均要采用高頻磁性材料。可采用MX200等鐵氧體材料。阻抗匹配由于傳感器的原邊與產(chǎn)生高頻波的振蕩器相連，因此須注意兩者之間的阻抗匹配。否則就會破壞振蕩器的起振件而造成停振，或者需要振蕩器輸出很大的功率而增加了線路的功耗。一般而言，與功率晶體管導通角相對。因此當無直流電動機的電樞繞組和電子換向線路確定以后，也隨著確定。確定這個角度時為了保證連續(xù)運轉而不產(chǎn)生死點，必須要有過渡導通狀態(tài)(短時間的兩相導能狀態(tài)) 應稍大于理論值，一般可比理論值大十度左右就可以了。對于本次課程設計的位置傳感器的導通情況已經(jīng)用下表例出： 時 間 繞組、功率管 導通順序 A B C DC CAABBBCV1V2V3V4V5V6 無刷直流電機運行特性分析 無刷直流電動機是隨著電子技術迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機。傳統(tǒng)的直流電動機存在換向器，因而存在碳刷磨損和碳刷粉末玷污線圈絕緣及其它零部件問題，由此帶來火花、維護困難、壽命短等致命缺陷，但直流電動機的調(diào)速性能好，起動性能好，控制性能好，故在調(diào)速性能要求高的場合，可用直流電動機。隨著電子技術的迅速發(fā)展和高能永磁材料的出現(xiàn)，能使直流電動機做得和交流電動機一樣結構簡單，耐用，而又具有良好的性能。對于無刷直流電動機基本上有二個方案：一種方案，電動機由逆變器傳動，逆變器把一個直流電源轉化成其頻率同時與轉子速度相對應的三相電壓，這種無刷直流電動機也稱自控同步電動機，其轉子用永磁體，也稱永磁同步電動機，它由整流器、逆變器、轉子位置傳感器、同步電動機和控制電路組成，位置傳感器安裝在轉子的轉軸上，用它反饋信號使相電流與對應的感應電動勢同步，可以獲得恒轉矩。它不象一般的同步電動機，無刷直流電動機相電壓和相應電動勢之間的相量角在設定了位置傳感器之后，通常是不變的，因此隨著電機負載和速度的變化，電動機的功率因素角相應地從超前向滯后變化，并且相應的電樞反應引起磁場增強和削弱，這樣電動機的輸出功率也受到影響。另一種方案，由受控制的變換器和同步電動機并用，它由變換器、同步電動機、轉子位置傳感器和邏輯電路組成。同步電動機是指多相(三、四、五相等)電樞繞組定子和永磁體轉子。定子可采用與傳統(tǒng)直流電機轉子非常相似的方式繞成，繞組原應接于換向器升高片的位置現(xiàn)由晶體管開關所代替，應用轉子位置傳感器和相關的邏輯電路，開關可依次接通和關斷，以仿效換向器的作用，并在定子內(nèi)產(chǎn)生了跳躍式的磁場，使永磁轉子跟著旋轉。故無刷直流電動機和傳統(tǒng)直流電動機有相同的工作原理。無刷直流電動機的簡圖如下圖所示。 圖（） 系統(tǒng)方程式(1)電磁轉矩公式 對于第一種方案，電動機有一個位置傳感器安裝在轉子的轉軸上，用位置反饋信號使電流與對應感應電動勢同步，目的是獲得恒轉矩。若假定定子繞組的感應電壓：Uu，UV，Uw是正弦的，可表達為Uu =Keωsinθ； ()Uv=Keωsin（θ2π/3) ()Uw= Keωsin（θ+2π/3) ()式中：Ke一電勢常數(shù)θ一轉子位置角ω=dθ／dt一電動機的角速度如果控制定子電流iu,iv,iw，使其與感應電動勢同相，即 ()則供給轉子的功率： ()I0是定子電流的幅值，電動機產(chǎn)生的轉矩為T=P／ω=I．5KeIo故轉矩了按幅值進行控制，并與定子電流成正比。 第二種方案：無刷直流電動機由直流電源供電，三相無刷電動機的繞組按Y接法，梯形控制電路供有直接輸送到無刷直流電動機定子上的電流，為矩形電流，電機電磁結構將產(chǎn)生梯形波反電動勢(但為梯形控制電路設計的大部分無刷直流電動機所產(chǎn)生的反電動勢波形，更像正弦波而不是梯形曲線，因為磁鐵磁通密度分布不可能完全是矩形，定子繞組的電感部位使其兩角變得有些圓)，無刷直流電動機在具有梯形波反電動勢和矩形波定子電流的條件下，所產(chǎn)生的轉矩從理論上說是恒定不變的，其公式由下式推出：T=1/ω（e1i1+e2i2+e3i3）=3/ΩiaE=KtIA ()式中Kt一轉矩常數(shù) 故電磁轉矩T按幅值進行控制，并與定子電流成正比。L線圈電感 M互感圖 （）(2)電勢平衡方程式由于傳統(tǒng)的直流電機和無刷直流電動機采用了相同的基本原理，所以似乎其基本電機常數(shù)也應相同，其電勢平衡方程式如圖（）所示故機械特性與傳統(tǒng)的直流電動機也極為相似。 運行特性分