永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由一塊或多塊永磁體建立磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī),其性能與恒定勵(lì)磁電流的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相似,可以由改變電樞電壓來(lái)方便地調(diào)速。與他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)相比,具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用銅量少等優(yōu)點(diǎn),是小功率直流電動(dòng)機(jī)的主要類型。
永磁無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
根據(jù)所用的永磁材料不同,永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)分為鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)。鋁鎳鈷永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)需要消耗大量的貴重金屬、價(jià)格較高,但對(duì)高溫的適應(yīng)性好,用于環(huán)境溫度較高或?qū)﹄妱?dòng)機(jī)的溫度穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。鐵氧體永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以廉價(jià)見長(zhǎng),且性能良好,廣泛用于家用電器、汽車、玩具、電動(dòng)工具等領(lǐng)域。用稀土永磁材料作磁極制的稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),體積小且性能更好,但價(jià)格昂貴,主要用于航天、計(jì)算機(jī)、井下儀器等。但近些年出現(xiàn)了新一代稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)—釹鐵硼永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),由于我國(guó)擁有世界80%以上蘊(yùn)藏量的釹礦資源,因此在價(jià)格上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),高性能釹鐵硼永磁材料性價(jià)比大幅提升,使質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的釹鐵硼永磁直流電動(dòng)機(jī)在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,同時(shí)也促進(jìn)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能與結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展。
1. 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場(chǎng)軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線位置,所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處,電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間就會(huì)產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。
由于定子磁場(chǎng)軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直,在鐵芯不飽和的情況下,產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比,與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性一樣。
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流:
Tm=KtIav (N·m)
電動(dòng)機(jī)兩相繞組反電勢(shì)的差正比于電動(dòng)機(jī)的角速度:
ELL=Keω (V)
所以電動(dòng)機(jī)繞組中的平均電流為:
Iav=(Vm-ELL)/2Ra (A)
其中,Vm=δ·VDC是加在電動(dòng)機(jī)線間電壓平均值,VDC是直流母線電壓,δ是調(diào)制波的占空比,Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩:
Tm=δ·(VDC·Kt/2Ra)-Kt·(Keω/2Ra)
Kt、Ke是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù),ω為電動(dòng)機(jī)的角速度(rad/s),所以,在一定的ω時(shí),改變占空比δ,就可以線性地改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,得到與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。
永磁無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定,取決于速度指令Vc的高低,如果速度指令最大值為+5V對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速:Vc(max)ón max,那么,+5V以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n,這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。
當(dāng)Vc設(shè)定以后,無(wú)論是負(fù)載變化、電源電壓變化,還是環(huán)境溫度變化,當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時(shí),反饋電壓Vfb變小,調(diào)制波的占空比δ就會(huì)變大,電樞電流變大,使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度,直到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止;反之,如果電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時(shí),δ減小,Tm減小,發(fā)生減速度,直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止??梢哉f,永磁直流電機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)范圍內(nèi),在允許的過載能力以下,其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右,并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。
由于永磁無(wú)刷直流電機(jī)的勵(lì)磁來(lái)源于永磁體,所以不象異步機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流;由于轉(zhuǎn)子中無(wú)交變磁通,其轉(zhuǎn)子上既無(wú)銅耗又無(wú)鐵耗,所以效率比同容量異步電動(dòng)機(jī)高10%左右,一般來(lái)說,永磁直流電機(jī)的力能指針(ηcosθ)比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)高12%-20%。
2. 由于永磁無(wú)刷直流電機(jī)是以自控式運(yùn)行的,所以不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組,也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。
中小容量的永磁無(wú)刷直流電機(jī)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。
近三十年來(lái)針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究,歸根到底是在尋找控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法,而永磁直流電機(jī)的電流或電樞的端電壓,就是直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的物理量。過去,由于稀土永磁體價(jià)格比較高等因素,限制了稀土永磁永磁直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域,但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新,其價(jià)格已迅速下降,例如,我公司推出得BS系列永磁直流電機(jī)的售價(jià)已與異步電動(dòng)機(jī)和普通變頻器售價(jià)之和相差無(wú)幾。稀土永磁永磁直流電機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。
3. 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法,同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體,為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性,在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成,其功能是:接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào),以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào),用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷,產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號(hào),用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等等
主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路,逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。
永磁體N-S交替交換,使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波,結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào):101、100、110、010、011、001,通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)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(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)N-S極,T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下,僅有兩相繞組通電,依次改變一種狀態(tài),定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60°電角度,轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電角度空間位置,轉(zhuǎn)子在新位置上,使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼,新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合,使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60°電角度,如此循環(huán),永磁直流電機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩,拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)橛来胖绷麟姍C(jī)的換向是自身產(chǎn)生的,而不是由逆變器強(qiáng)制換向的,所以也稱作自控式同步電動(dòng)機(jī)。
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