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            永磁無刷直流電機的基本原理

            |發布時間:2014-12-10 09:05|4673查看

            永磁無刷直流電動機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機,其性能與恒定勵磁電流的他勵直流電動機相似,可以由改變電樞電壓來方便地調速。與他勵式直流電動機相比,具有體積小、效率高、結構簡單、用銅量少等優點,是小功率直流電動機的主要類型。

            永磁無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。

            根據所用的永磁材料不同,永磁無刷直流電動機分為鋁鎳鈷永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和稀土永磁直流電動機。鋁鎳鈷永磁無刷直流電動機需要消耗大量的貴重金屬、價格較高,但對高溫的適應性好,用于環境溫度較高或對電動機的溫度穩定性要求較高的場合。鐵氧體永磁無刷直流電動機以廉價見長,且性能良好,廣泛用于家用電器、汽車、玩具、電動工具等領域。用稀土永磁材料作磁極制的稀土永磁無刷直流電動機,體積小且性能更好,但價格昂貴,主要用于航天、計算機、井下儀器等。但近些年出現了新一代稀土永磁直流電動機—釹鐵硼永磁無刷直流電動機,由于我國擁有世界80%以上蘊藏量的釹礦資源,因此在價格上具有得天獨厚的優勢,高性能釹鐵硼永磁材料性價比大幅提升,使質優、價廉的釹鐵硼永磁直流電動機在產業化生產中得到了廣泛的應用,同時也促進永磁無刷直流電動機的性能與結構迅速發展。

            1. 永磁無刷直流電機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉子磁場軸線位置,所以不論轉子的起始位置處在何處,電動機在啟動瞬間就會產生足夠大的啟動轉矩,因此轉子上不需另設啟動繞組。

            由于定子磁場軸線可視作同轉子軸線垂直,在鐵芯不飽和的情況下,產生的平均電磁轉矩與繞組電流成正比,與他勵直流電動機的電流-轉矩特性一樣。

            電動機的轉矩正比于繞組平均電流:

            Tm=KtIav (N·m)

            電動機兩相繞組反電勢的差正比于電動機的角速度:

            ELL=Keω (V)

            所以電動機繞組中的平均電流為:

            Iav=(Vm-ELL)/2Ra (A)

            其中,Vm=δ·VDC是加在電動機線間電壓平均值,VDC是直流母線電壓,δ是調制波的占空比,Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機的電磁轉矩:

            Tm=δ·(VDC·Kt/2Ra)-Kt·(Keω/2Ra)

            Kt、Ke是電動機的結構常數,ω為電動機的角速度(rad/s),所以,在一定的ω時,改變占空比δ,就可以線性地改變電動機的電磁轉矩,得到與他勵直流電動機電樞電壓控制相同的控制特性和機械特性。

            永磁無刷直流電機的轉速設定,取決于速度指令Vc的高低,如果速度指令最大值為+5V對應的最高轉速:Vc(max)ón max,那么,+5V以下任何電平即對應相當的轉速n,這就實現了變速設定。

            當Vc設定以后,無論是負載變化、電源電壓變化,還是環境溫度變化,當轉速低于指令轉速時,反饋電壓Vfb變小,調制波的占空比δ就會變大,電樞電流變大,使電動機產生的電磁轉矩增大而產生加速度,直到電動機的實際轉速與指令轉速相等為止;反之,如果電動機實際轉速比指令轉速高時,δ減小,Tm減小,發生減速度,直至實際轉速與指令轉速相等為止??梢哉f,永磁直流電機在允許的電網波動范圍內,在允許的過載能力以下,其穩態轉速與指令轉速相差在1%左右,并可以實現在調速范圍內恒轉矩運行。

            由于永磁無刷直流電機的勵磁來源于永磁體,所以不象異步機那樣需要從電網吸取勵磁電流;由于轉子中無交變磁通,其轉子上既無銅耗又無鐵耗,所以效率比同容量異步電動機高10%左右,一般來說,永磁直流電機的力能指針(ηcosθ)比同容量三相異步電動機高12%-20%。

            2. 由于永磁無刷直流電機是以自控式運行的,所以不會象變頻調速下重載啟動的同步電動機那樣在轉子上另加啟動繞組,也不會在負載突變時產生振蕩和失步。

            中小容量的永磁無刷直流電機的永磁體,多采用高磁能積的稀土釹鐵硼(Nd-Fe-B)材料。因此,稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。

            近三十年來針對異步電動機變頻調速的研究,歸根到底是在尋找控制異步電動機轉矩的方法,而永磁直流電機的電流或電樞的端電壓,就是直接控制電動機轉矩的物理量。過去,由于稀土永磁體價格比較高等因素,限制了稀土永磁永磁直流電機的應用領域,但是隨著技術的不斷創新,其價格已迅速下降,例如,我公司推出得BS系列永磁直流電機的售價已與異步電動機和普通變頻器售價之和相差無幾。稀土永磁永磁直流電機必將以其寬調速、小體積、高效率和穩態轉速誤差小等特點在調速領域顯現優勢。

            3. 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法,同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體,為了檢測電動機轉子的極性,在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成,其功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號,以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號,用來控制逆變橋各功率管的通斷,產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號,用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等

            主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路,逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調制波的對稱交變矩形波。

            永磁體N-S交替交換,使位置傳感器產生相位差120°的U、V、W方波,結合正/反轉信號產生有效的六狀態編碼信號:101、100、110、010、011、001,通過邏輯組件處理產生T1-T4導通、T1-T6導通、T3-T6導通、T3-T2導通、T5-T2導通、T5-T4導通,也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上,這樣轉子每轉過一對N-S極,T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態的依次導通。每種狀態下,僅有兩相繞組通電,依次改變一種狀態,定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度,轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間位置,轉子在新位置上,使位置傳感器U、V、W按約定產生一組新編碼,新的編碼又改變了功率管的導通組合,使定子繞組產生的磁場軸再前進60°電角度,如此循環,永磁直流電機將產生連續轉矩,拖動負載作連續旋轉。正因為永磁直流電機的換向是自身產生的,而不是由逆變器強制換向的,所以也稱作自控式同步電動機。



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