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無刷直流永磁電動機的電樞反應

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3282

 摘要:文章將對三相非橋式電子換向電路和120°導通型三相半橋逆變電路驅動的無刷直流永磁電動機,以及對180°導通型三相半橋逆變電路驅動的自控式永磁同步電動機,在正反轉運行過程中所經受到的最大去磁磁勢進行探討。探討的目的在于:更深刻地理解無刷直流永磁電動機的運行機理,從而能夠更正確地設計無刷直流永磁電動機。

1有刷直流永磁電動機

圖1有刷直流永磁電動機的正反轉過程

   這里,我們將在不考慮換向過程中被短路的元件,不考慮換向過程本身對電動機運行所產生的影響和在不考慮磁路飽和等條件下,研討有刷直流永磁電動機在正反轉過程中定轉子磁場的相對位置的變化,以及電樞反應磁場對定子主磁場的不同作用。圖l給出了有刷直流永磁電動機正反轉的過程。一般情況下,電樞反應磁場(或簡稱電樞磁場)Fa可以分解為交軸分量和直軸分量Faq和直軸分量Fad交軸分量Faq與定子主磁場Fm相互作用產生旋轉電磁力矩,通常被稱之謂力矩分量;而直軸分量Fad僅對定子主磁場Fm起到增磁或去磁的作用,不產生旋轉電磁力矩,因此通常被稱之謂磁場分量。當電刷AB處在圖la所示的位置I時,即電刷AB軸線與主磁場的交軸相重合,θ1=0°,根據磁極下電樞電流Ia的分布,由比奧?薩乏定律可知,電樞將按順時針方向轉動,這時,電樞電流Ia產生的電樞磁場Fa與定子永磁體產生的主磁場Fm處于正交狀態,即磁場電樞軸線與主磁場的交軸相重合,即有Fad1=O,Faq1=Fa定轉子磁場的相互作用產生最大的旋轉電磁力矩MEM(從圖中可以直觀到電刷AB兩側各自擁有的9個槽導體都將全部與定子主磁場Fm相互作用而產生旋轉電磁力矩);如果把電刷沿著順時針方向逐漸移動至圖1b所示的位置Ⅱ,電刷AB軸線與主磁場的交軸之間的夾角為θ2,這時,電樞磁勢Fa將被分解為直軸電樞磁勢Fa和交軸電樞磁勢Faq2,直軸電樞磁勢Fad2對主磁場Fm起到增磁作用,而交軸電樞磁勢Faq2=Facosθ2<Faq1,但Faq2的作用方向沒有變化,這意味著:電動機在位置Ⅱ時產生旋轉電磁力矩要小于電動機在位置I時產生旋轉電磁力矩(從圖中可以直觀到電刷AB兩側各自擁有的5個槽導體與定子主磁場Fm相互作用而產生旋轉電磁力矩),但電動機按順時針旋轉的方向不變;當把電刷AB沿著順時針方向繼續移動至圖1 c所示的位置Ⅲ時,θ2<θ3<90°,直軸電樞磁勢Fad3將進一步增大,即Fad3>Fad2交軸電樞磁勢Faq3將進一步減小,即Faq3<Faq2,但Faq3的作用方向仍然沒有變化,這意味著:電動機在位置Ⅲ時產生旋轉電磁力矩要比電動機在位置Ⅱ時產生旋轉電磁力矩更小(從圖中可以直觀到電刷AB兩側各自只有1個槽導體與定子主磁場Fm相互作用而產生旋轉電磁力矩),但電動機的旋轉方向不變;如果把電刷AB沿著順時針方向移動至圖1d所示的位置Ⅳ,θ4=90°,這時,直軸電樞磁勢Fad4=Fa,對由永磁體產生主磁場Fm起到最大的增磁作用,而交軸電樞磁勢Faq5=0,在此位置上,電動機不產生旋轉電磁力矩,即MEM=0;一旦把電刷AB沿著順時針方向移動至圖le所示的位置V時,θ5>90°,雖然直軸電樞磁勢Fad5對主磁場Fm仍起到增磁作用,

但交軸電樞磁勢Faq5將改變方向,由交軸電樞磁勢Faq5與主磁場Fm相互作用而產生的電磁力矩也將改變其旋轉方向,迫使電動機朝逆時針方向旋轉;當處電刷AB在圖1f所示的位置Ⅵ時,90°<θ6<180°對主磁場Fm起到增磁作用的直軸電樞磁勢Fad6減小,即Fad6<Fad5而迫使電動機朝逆時針方向旋轉的交軸電樞磁勢Faq6增大,即Faq6>Faq5;當把電刷AB沿著順時針方向繼續移動至圖1g所示的位置Ⅶ時,θ7=180°,電刷AB軸線與主磁場的交軸又相重合,但相對位置I而言其作用方向卻相反,這時,直軸電樞磁勢Fa=O,交軸電樞磁勢Faq7= 一Fa,定轉子磁場相互作用將產生最大的逆向旋轉電磁力矩;當處電刷在圖lh所示的位置Ⅷ時,θ8>180°,直軸電樞磁勢Fad8將變成負值,對主磁場Fm起到去磁作用,交軸電樞磁勢Fad8=Fasinθ8其逆向旋轉電磁力矩的數值要小于位置Ⅶ時的逆向旋轉電磁力矩,電動機仍按逆時針方向旋轉;當處電刷AB在圖1i示的位置IX時,θ9=270°,直軸電樞磁勢Fad8 = —F a,對主磁場Fm起到最大的去磁作用,而交軸電樞磁勢Faq8=O,電動機不產生旋轉電磁力矩,即MEM=0。為清晰起見,把上述電刷AB沿著順時針方向逐漸移動的變化過程列成表1。

表l有刷直流永磁電動機的定轉子磁場和相互之間的作用和變化過程

 

   如果我們在圖la所示的位置I時,開始把電刷AB沿著逆時針方向逐漸移動,即逆著旋轉方向移動電刷,直軸電樞磁勢Fad將對主磁場呈現去磁作用,交軸電樞磁勢Faq的作用方向不變;當電刷AB逆向移動的角度θ=90°時,直軸電樞磁勢Fad將對主磁場的去磁作用達到最大值,而交軸電樞磁勢

Faq=0;當電刷逆向移動的角度θ>90°時,交軸電

樞磁勢Faq將改變其作用方向,電磁力矩也將改變  方向,使電動機順時針方向轉劫改變成逆時針方向轉動;當電刷AB逆向移動的角度θ=180°時,逆向旋轉的電磁力矩達到最大值。

   綜上分析,我們可以得出下列幾個結論:

   (1)電樞磁場Fa與定子永磁體產生的主磁場Fm處于正交狀態時,電動機將產生最大的旋轉電磁力矩MEM。

   (2)當電刷AB從交軸(θ=0°)開始按順時針方向逐漸移動,但相對交軸移動的角度小于90°電角時,電動機產生的旋轉電磁力矩的方向不變,亦即電動機的旋轉方向保持不變;當電刷AB沿著順時針方向相對交軸逐漸移動的角度θ=90°電角時,直軸電樞磁勢等于電樞磁勢,即Fad=Fa,電樞磁勢Fa全部變成了對主磁場起到增磁作用的直軸電樞磁勢Fad而交軸電樞磁勢Faq等于零,電動機產生的旋轉電磁力矩也將等于零。

   (3)一旦電刷AB沿著順時針方向相對交軸移動的角度θ>90°電角時,電動機產生的旋轉電磁力矩的方向就將改變旋轉方向,亦即電動機將朝相反方向旋轉;當相對交軸移動的角度=180°電角時,電動機將產生最大的反轉電磁力矩。這意味著:定轉子磁場中,只要有一個磁場,而且只能有一個磁場相對其原磁場的方向旋轉180°電角度,則電動機就能以最大的反向力矩改變其轉動方向。

   (4)當電刷AB從交軸(θ=0°)開始逆著旋轉方向移動時,直軸電樞磁勢Fad將對主磁場起去磁作用,當電刷AB相對交軸逆向移動的角度θ= 一90°時,直軸電樞磁勢Fad將對主磁場的去磁作用達到最大值。

   一般情況下,有刷直流永磁電動機在實施突然正反轉時,外加電壓與反電動勢同方向,電動機將產生強大的電樞電流Ia,其數值可以按下式估算:

      (1)

  式中,U是外加電壓;E是電樞繞組內的反電動勢;γa是電樞繞組的電阻。

  這種突然反轉電流將產生強烈的電樞反應磁場,但在有刷直流永磁電動機中,由于電刷AB處于主磁場的交軸位置(θ= 0°)上,它將不會形成對主磁場起增磁或去磁作用的直軸電樞反應磁場,而只會形成強烈的交軸電樞反應磁場,引起氣隙磁場波形的畸變。在無刷直流永磁電動機和自控式永磁同步電動機中,情況要復雜得多。下面我們將利用上述有刷直流永磁電動機在正反轉過程中定轉子磁場相互作用的原則來分析無刷直流永磁電動機和自控式永磁同步電動機在正反轉運行過程中,它們的轉子永磁體所經受到的最大去磁磁勢。

   2三相非橋式電子換向電路驅動的無刷直流永磁電動機

   典型的三相非橋式電子換向電路如圖2所示。電動機正向旋轉時(順時針方向),定子繞組導通順序為UVW;反向旋轉時(逆時針方向),定子繞組導通順序為UWV。假定正向旋轉的電動機在U相繞組通電時突然反轉,此時U相繞組的電樞磁勢AWau與U相繞組的軸線相重合,如圖3所示,而轉子主磁場中。有可能處在狀態角αz范圍之內,即如圖3中的位置I和II位置之間的任意位置上?,F在就兩種情況,分別研究電動機突然反轉時,其電樞磁場對轉子磁場的影響。

   (A)轉子磁場處在[I,0]區間內

   此時,反轉的指令信號將使電子開關切斷U相繞組,同時接通V相繞組,轉子受到反方向轉矩而反轉。在不考慮功率開關管BG1截止時,二極管D1給U相繞組提供通路而產生續流的情況下,電樞磁勢如圖中AWav所示,其直軸分量AWadv對轉子磁場Φm起去磁作用。

 圖2三相非橋式電子換向電路

 圖3突然反轉時的定轉子磁場關系

當轉子處在邊界位置I時,電樞磁場AWav與轉子磁場φm正交,純粹表示為交軸電樞反應。當轉子處在中間位置0時,電樞反應的直軸去磁分量AWadv轉達到最大值,其數值為:

     (2)

   (B)轉子磁場處在[0,Ⅱ]區間內

   此時,反轉指令信號將使電子開關切斷U相繞組,而接通W相繞組,轉子受到反向轉矩而反轉。這時電樞磁勢如圖中AWaw所示,其直軸分量AWad對轉子磁場φm起增磁作用。

   當轉子處在邊界位置Ⅱ時,電樞磁場AWaw與轉子磁場φm正交,純粹表現為交軸電樞反應。當轉子處在中間位置0時,電樞反應的直軸增磁分量達到最大值[AWadw]max,其數值上和上述直軸去磁分量最大值[AWadv]max相等。

 3   120°導通型三相半橋逆變電路驅動的無刷直流永磁電動機

     120°導通型三相半橋逆變電路驅動的無刷直流永磁電動機如圖4所示。電動機運行時,每一個磁狀態對應于三相電樞繞組中的兩相繞組串聯導通和一相繞組懸空,表2和表3分別是它的順時針和逆時針導通程序。

   圖4 120°導通型三相半橋逆變電路

   120°導通型三相半橋逆變電路驅動的無刷直流永磁電動機不同于三相非橋式電子換向電路驅動的無刷直流永磁電動機,在行過程中,每一個功率開關器件連續導通120°電角度,截止240°電角度,每一個電氣周期內有六個磁狀態,每個磁狀態持續60°電角度。根據表2和表3,不管電動機處在順時針方向旋轉中的某一狀態,還是處在逆時針方向旋轉中的某一狀態,都存在一個與之相差180°電角度的導通狀態。因此,在轉子永磁體產生的主磁場Fm保持不變的某一時刻,把定子三相電樞繞組原先的導通狀態改變成與之相差180°電角度的導通狀態,就能使電動機反轉,并有可能以最大的反轉電磁力矩使電動機反轉。例如,當電動機順時針方向旋轉時,如果要求在磁狀I時實現突然反轉,則根據表2,應選擇對應于磁狀態IV的導通狀態,就能確保在轉子主磁場Fm空間位置不變的情況下,電樞磁場Fa相對轉子主磁場Fm轉過180°電角度,從而在磁狀態I時能迫使電動機由順時針旋轉突然改變成逆時針旋轉。又如,當電動機逆時針方向旋轉時,如果要求在磁狀態Ⅱ時實現突然反轉,則根據表3,應選擇對應

于磁狀態V的導通狀態,就能確保在轉子主磁場Fm空間位置不變的情況下,電樞磁場Fa相對轉子主磁場Fm轉過180°電角度,從而就能使電動機在磁狀態Ⅱ時實現由逆時針旋轉突然改變成順時針旋轉。

   現在,假設我們要求順時針旋轉的電動機在磁狀態Ⅲ時突然反轉,在此情況下,分析定轉子磁場之間的相互關系,以及在正反轉過程中轉子永磁體所遭受到的最大去磁作用。

磁狀態Ⅲ時,功率開關器件BG3和BG2導通,三相電樞繞組中V相和W相導通,U相懸空,電樞電流Ia從V相進入,從W相流出,電動機朝順時針方向旋轉。V相和W相的磁勢合成電樞磁場Favw,它和轉子永磁體產生的主磁場Fm之間的相互關系如圖5a所示。根據表2,應選擇對應于磁狀態Ⅵ的導通狀態,即功率開關器件BG5和BG6導通,W相和V相導通,U相懸空,電樞電流Ia從W相進入,從V相流出。在不考慮續流的情況下,w相和V相的磁勢合成一個新的電樞磁場Fawv,它相對轉子主磁場Fm轉過了180°電角度,從而能迫使電動機在磁狀態Ⅲ時由順時針方向旋轉突然改變成逆時針方向旋轉。

表2  120°導通型三相半橋逆變電路的順時針導通程序

表3  120°導通型三相半橋逆變電路的逆時針導通程序

圖5  電樞磁場和轉子永磁體產生的永磁場Fm之間的相互關系

電動機在磁狀態Ⅲ反轉時,其轉子主磁場Fm有可能處在狀態角αz范圍之內,即如圖5中的位置I和Ⅱ位置之間的任意位置上?,F在就電動機突然反轉時其轉子主磁場所處的三種不同位置,來分析其電樞磁場對轉子主磁場Fm的影響。

   (A)轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[I,0]區間內

   當電動機的轉子主磁場處在Fm[I,0]區間內實施反轉時,其電樞合成磁場Fawv與轉子主磁場Fm相互之間的關系如圖5b所示。這時,電樞合成磁場Fawv的直軸分量Fadwv對轉子主磁場Fm起增磁作用,其最大的增磁作用可以按下式估算:

   [Fadwv]max = Fawv·cosαz=0.5Fawv,    (3)式中,狀態角αz=60°電角度。

   (B)轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[O,Ⅱ]區間內

   當電動機的轉子主磁場Fm處在[0,Ⅱ]區間內實施反轉時,其電樞合成磁場Fawv與轉子主磁場Fm相互之間的關系如圖5c所示。這時,電樞合成磁場的直軸分量Fadwv對轉子主磁場Fm起去磁作用,其最大的去磁作用可以按下式估算:

   [Fadwv] max = Fawv·cosαz=0.5Fawv,  (4)式中,狀態角αz=60°電角度。

   由此可見,電動機在正反轉過程中,其轉子永磁體所經受到的最大增磁作用和最大去磁作用在數值上是一樣的。

   (c)轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[O]位置

   當電動機的轉子主磁場Fm處在[0]位置上實施反轉時,其電樞合成磁場Fawv與轉子主磁場Fm處于正交狀態,其電樞反應磁場只有交軸分量,沒有直軸分量,即Faqwv = Fawv,Fadwv=O。這時,電樞反應磁場對主磁場不起增磁或去磁作用,而電動機將以最大的反轉電磁力矩實現反轉。

   4 180°導通型三相半橋逆變電路驅動的自控式永磁同步電動機

   對于自控式永磁同步電動機而言,通常采用180°導通的電壓型三相半轎逆變電路,如圖6所示。在運行過程中,每一個電氣周期有六個磁狀態,三相電樞繞組U、V和W始終處于同時接通的狀態。為了方便說明,表4和表5分別列出了順時針方向和逆時針方向旋轉時的導通程序;同時,為了估算電樞反應直軸去磁分量的最大值和簡化估算方法,時暫不考慮逆變器的調制方式和電樞繞組內瞬間存在的續流現象。

    圖6 180°導通型三相半橋逆變

   假定順時針旋轉的自控式永磁同步電動機處在磁狀態I時突然反轉,如圖7a所示。電動機處在磁狀態I時,電流通過功率開關器件S1和S5進入電樞繞組U和W,然后電流通過V相繞組,從功率開關器件S6流出,這時電樞反應磁勢為Fa在此情況下,根據表4,可以選擇對應于磁狀態IV的導通狀態,即功率開關器件S3、S4和S2導通,這時,電流通過功率開關器件S7進入電樞繞組V,然后電流通過U和W相繞組,從功率開關器件S4和S2流出。當

電動機的磁狀態由I[U(+)、V(一)、W(+)]突然變換成磁狀態IV[U(-)V(+)、W(-)]時,電樞反應磁勢將由FaI突然轉變成FaIv磁狀態IV的電樞磁場Fa相對原先的磁狀態I的電樞磁場旋轉了180°電角度,從而電樞磁場Fa和轉子永磁體產生的主磁場Fm相互作用將產生反向的旋轉力矩,迫使電動機由順時針旋轉改變成逆時針旋轉。

    表4順時針方向旋轉時的導通狀態

表5逆時針方向旋轉時的導通狀態

圖7  電動機突然反轉時定轉子磁場的相互關系

   電動機在磁狀態I突然反轉時,轉子永磁體產生的主磁場Fm有可能處在狀態角αz范圍之內,即圖(7)(a)中I和Ⅱ之間的任意位置上。同樣,我們將根據電動機突然反轉時轉子主磁場Fm所處的三種不同位置,來分析其電樞磁場FaIv對轉子永磁體產生的主磁場Fm的影響。

   (A)轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[I,0]區間內

   當自控式永磁同步電動機的突然反轉發生在轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[1,0]區間內時,如圖7b所示,其電樞反應磁勢Fm的直軸分量將對轉子主磁場起增磁作用,且當轉子主磁場處在位置[I]時,電樞反應磁勢Fa的直軸分量FadlV對轉子主磁場Fm的增磁作用最大,其數值可按下式估算:

   [FadIv]max = FaIv·cosαz=0.5FaIv (5)式中,狀態角=60°電角度。

(B)轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[0,II]區間內

當自控式永磁同步電動機的突然反轉發生在轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[O,Ⅱ]區間內時,如圖(7)(c)所示,其電樞反應磁勢FalV的直軸分量FadlV將對轉子主磁場Fm起去磁作用,且當轉子主磁場Fm處在位置[Ⅱ]時,電樞反應磁勢FalV的直軸分量FadlV對轉子主磁場Fm的去磁作用最大,其數值[FadlV] max可按下式估算:

[FadlV] max = FaIv·cosαz=0.5FaIv   (6)式中,狀態角αz=60°電角度。

(c)轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[0]位置

當自控式永磁同步電動機的突然反轉發生在轉子永磁體產生的主磁場Fm處在[0]位置時,其電樞反應磁勢FalV與轉子主磁場Fm處于正交狀態,即有FadlV=O,FaqlV=FalV。這時,電樞反應磁場對主磁場不起增磁或去磁作用,而電動機將以最大的反轉電磁力矩實現反轉。

5結語

(1)無刷直流永磁電動機的正反轉原理與有刷直流永磁電動機的正反轉原理,在本質上是相同的。

(2)無刷直流永磁電動機的電樞反應與有刷直流永磁電動機的電樞反應,在本質上是一樣。

(3)比較公式(3)、(4)和(5)、(6),可以看出:180°導通型三相半橋逆變電路驅動的自控式永磁同步電動機在正反轉過程中,其轉子永磁體所遭受到的最大去磁作用的計算方法與120°導通型三相半橋逆變電路驅動的無刷直流永磁電動機在正反轉過程中,其轉子永磁體所遭受到的最大去磁作用的計算方法在形式上是一樣的;但它們的電樞反應磁勢本身的計算方法是不一樣的。

 (4)對于180°導通型三相半橋逆變電路驅動的自控式永磁同步電動機而言,當采用空間矢量脈寬調制時,在運行過程中,不管負載如何變化,都可以通過合理的調制使定子電樞反應磁場Fm與轉子永磁體產生的主磁場Fm始終處于正交狀態,從而使電動機具有最大的運行力矩、反轉力矩和最好的運行效率,而轉子永磁體所遭受到的去磁作用將最小。

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