新型直流电动机特性仿真研究

历史以及直流电机和现代无刷 电机 的结构原理 出发 ，
提 出了发 展新 一代 电子 换 向直 流 电机 的新 思 想 ， 献 文
收稿 日期 ：０ １— ｌ一１ ２１ ０ ２
作者简介 ： 陈敏祥（ ６ 一 ， 浙江武义人 ， １ ３ ） 男， ９ 博士， 副教授 ， 主要从事电力电子技术 、 电机驱动与控制 、 运控电机等方面的研究． － ａ ： ｘ ｏ ｒ ０ ＠ｙ Ｅ ｍｉ ｈ ｔ２ ０ ａ ｌ ｍ ｏ０ －
（ ． ｏ ｅｅｏ Ｅｅｔｃｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｚ ｅｉ ｇＵ ｉｅｓｙ ａ ｇｈ ｕ３ ０ ２ ， ｈｎ ； １ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｌｃ ａ Ｅ ｇ ｅｉ ， ｈｊ ｎ ｎｖｒ ｔ，Ｈ ｎ ｚｏ ０ ７ Ｃ ｉａ ｌ ｉ ｒ ｎ ｎ ａ ｉ １ ２ Ｚ ｕ ａ Ｍｏ ｏ ｏｔ ｌ ｔｒ ｏ ． ｈ ｈｉ ｔ ｎＣ ｎ ｏ Ｍｏ ．，Ｌｄ ， ｈ ｈｉ １０ ０ Ｃ ｉａ ｉ ｒ ｏ Ｃ ｔ． Ｚ ｕ ａ ５ ９ ０ ， ｈｎ ）
本 研究 假设 新 型 直 流 电动 机 的机
电
工
程
第２ ８卷
出 出
晰
：
ｌ ｒ Ｉ ｒ绕 电 Ｌ Ｊ ０ ０ ０ ， … 组 。； ： ０ 一 ： 阻 ０ ０
。 ．
羔
ｒ
Ｉ
Ｌ
０ ０ ０
论 基础 和方 法 。
滑动电接触 ， 具有调速方便和转矩控制性能好等类似
直 流 电动 机 的特 性 ， 已成 为 近 代 运 控 电 动 机 的 主 流 。
但 是它 本 质上 是具 有 自同步 功能 的交 流永 磁 同步 电动
机 ， 真正 的直 流 电动机 相 比较仍 有两 项 弱点 ： 与 ①绕 组
Ｋｅ ｒ ｓ： ｅ ＤＣ ｍｏｏ ；ｏ ｑ ｅ ｓ ｅ ｄ ｃ ｒ ｅ ；ｉ ｌ ｔ ｎ Ｓ ｍｕ ｉｋ ｙ ｗｏ ｄ ｎ ｗ ｔｒ ｔｒ ｕ —ｐ ｅ ｕ ｖ ｓ ｓｍｕ ａｉ ／ ｉ ｌ ｏ ｎ
［ －］ 过样 机 的实验数 据 验证 了新思 想 的正确 性 。 ３５ 通
０ 引 言
电机 的 电磁 转矩 表 达式 为 ：
９
７ ７‰ ７ ７ ７ ７
ｗ ｓｉ ｔ ｄ ｃ ｄ ａ ｄ ｉ ｒ ｉ ｇ ｐ ｉ ｃｐ ｅｗａ ｎ ｌ ｚ ｄ ，ｔ ｅｍｏ ｏ ’ ｔ ｅ ｔ ｓｍｏ ｅ ａ ｓａ ｌ ｈ ｄ ａ ｄ ｓｍｕ ａｉｎ ｍｏ ｅ ａ ｅ ｎ Ｓ ｍｕ ａ ｎ ｒ ｕ ｅ ｎ ｔ ｗｏ ｋ ｎ ｒ ｉｌ ｓａ ａｙ ｅ ｏ ｓ ｎ ｈ ｔ ｒ Ｓｍａｈ ｍａ ｉ ｄ ｌｗ ｓｅ ｔｂ ｉ ｅ ｎ ｉ ｌｔ ｄ ｌ ｓ ｄ ｏ ｉ — ｃ ｓ ｏ ｂ ｌ ｋ ｗａ ｎ ｙ ｅ ． Ｂ ｏ ａ ｎ ｈ ｎ ｉｇ ｃ ｒｅ ｔ ｖ ｆ ｒ ８ ａ ｄ ｔ ｅ ｔｔｌｃ ｒｅ ｔｗａ ｅ ｏｍｓ ｕ ｄ ｒ ｄｆ ｒ ｎ ｏ ｄ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓｗｈｃ ｒ ｉ ｓａ ａ ｚ ｄ ｎ ｌ ｙ ｃ ｍｐ ｒ ｇ ｔ ｅ ｗｉｄ ｎ ｕ ｒ ｎ ｉ ｗａ ｅｏ ｎ ｈ ｏａ ｕ ｒ ｎ ｖ ｆ ｒ ｎ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔｌ ａ ｏ ｄｔ ｎ ｉｈ ｗｅｅ ｍ ｉ ｄ ｒ ｅ ｒ ｍ ｈ ｉ ｌ ｔ ｎ ｍｏ ｅ ｉ ｈ ｃｕ ｌ ｘ ｅ ｉ ｎ ｅ ｕ ｓ ｔ ｅ ｍｏ ｅｓｗ ｒ ｒ ｖ ｄ ｔ ｅ ｒ ｈ ｎ ｘ ｃ ．Ｔ ｅｔｒ ｕ — ｐ ｅ Ｈ Ｖ ｓ ｅ ｖｄｆ ｉ ｏ ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｄ ｌｗ ｔ ｔ ｅ ａ ｔ ａ ｐ ｒ ｏ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｓ ｈ ， ｈ ｄ ｌ ｅ ｅ ｐ ｏ ｅ ｏｂ ｇ ｔａ ｄ ｅ ａ ｔ ｈ ｏｑ ｅ ｓ ｅ ｄ Ｃ Ｉ ｅ ｒ ｉ ｗ ｒ ｕ ｔ ｅ ｔｄ ｅ ｙｕ ｉ ｇ ｔｅ ｓｍｕ ａ ｉｎ ｍｏ ｅｓ ｈ ｉ ｅ ｅ ｃ ｓａ ｄ ｔ ｅｒｃ ｕ ｅ ｉ ｈ ｉ ｌｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｎ ｘ ｅ ｍｅ ｔｌｒ ｓ ｌ ｒ ｅ ｅ ｆｒｈ ｒｓｕ ｉｄ ｂ ｓｎ ｉ ｌｔ ｄ ｌ ，ｔｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｎ ｈ ｉ ａ ｓ ｓｗ ｔ ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｅ ｕ ｔ ａ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎａ ｅ ｕ ｔ ｗｅｅ ｈ ｏ ｈ ｏ ｓ ｉ ｓ ｉ ｕ ｔ ｔ ｄ Ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｅ ｔｒ ｕ －ｐ ｅ ｕ ｖ ｓ ｏ ｅ ｎ ｗ ｔｒｉ ｈ ｒ ｎ ｈ ｏ ｑ ｅ ｒｐ ｌ ｓ ｓ ｌ． ｌ ｓ ａ ｅ ． ｉ ｌｔ ｅ ｕｔ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｑ ｅ ｓ ｅ ｄ ｃ ｒｅ ｆ ｈ ｅ ＤＣ ｍｏｏ ａ ｄ ａ ｄ ｔｅ ｔ ｒ ｕ ｐ ｅ ｉ ｍａ１ ｌ ｒ ｈ ｏ ｓ ｈ ｏ ｔ ｓ ｉ
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ｓｎ ３ ０—２ｒｉ ）９ ）ｉ＝ １２ …８９， 为 机 械 ｉ（ （ ７（ 一１／ ） ， 、、 、 Ｑ 角 速度 ， ＝２ｒ／０。 ￣ ６ ｎ
２ 新 型 直 流 电动 机 的数 学 模 型
示。
称 ； 略定子 铁心 齿槽 和定 子绕组 电枢 反应 的影 响 ； 忽 电 机气 隙磁导 均匀 ， 不考 虑磁饱 和 ， 不计 涡流 和磁滞 的损 耗 。根 据 电势平衡 方程 式 ：
图 １ 新型电动 机的基本结构 图
图 ２ 电子换 向单元与绕组元件连接示意图
样 机用 Ｈａ 元件 检测 转子 位 置 ， 个绕 组 元 件对 ｌ ｌ 每 应 一个 Ｈ ｌ元 件 ， ａ 信 号从 ０到 １或从 １ ０翻转 ａ ｌ Ｈｌ ｌ ， 到 时， 正好 对 应 相应 绕 组 元 件 电势 过 零 点 。９个 霍 尔 信 号将一个周期 ３０ 电角度划分为 １ 区域 ， ６。 ８个 如图 ３
第２ ８卷 第 ９期 ２ １ 年 ９月 ０１
机
电
工
程
Ｖｏ ． Ｎｏ． Ｉ２８ ９ Ｓ ｐ．２０１ ｅ １
Ｊ ｕ ａ ｆＭｅ ｈ ｎ ｃ ｌ＆ Ｅ ｅ ｔ ｃ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｏ ｒ ｌ ｏ ｃ ａ ｉａ ｎ ｌｃｒ ａ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｉｌ ｉ
新 型 直 流 电动 机 特 性仿 真研 究
图 ３ 正转时 ， 霍尔信号和反 电势波形汇总
＝
・
所示 ， 假定图 ３中从左到右的区域编号依次为 １ １ ， ～ ８ 以方便说 明各个功 率管 的通 断方 式 。在第 １个 区域 内
１２４６、 绕组 反 电势为 正 ， 、、、 绕组 反 电势 、、、 ８号 ３５７９号 为负 ， 为了保证 各个 绕 组都输 出正 向转 矩 ， 时需 要给 此
近 代 三相 和多 相 无 刷 直 流 电动 机 （ Ｌ Ｃ 没 有 Ｂ Ｄ Ｍ）
本研究以 ９ 向单元新 型直流 电机为例 ， 换 简要介
绍 了这 一新 型直 流 电机 的绕 组结 构 和 工 作 原 理 ， 而 进 建 立 了电机 的数 学模 型 ， 进行仿 真 分析 ， 并 实验 数据 验 证 了数 学模 型 的正确 性 ， 后 续 的 深入 研 究 提 供 了理 为
陈敏 祥 ， 李凤 才 王 宗培２ ，
（． １浙江大学 电气工程学院， 浙江 杭州 ３０ ２ ；． １０７２ 珠海运控 电机有限公司， 广东 珠海 ５９０ ） １０ ０
摘要 ： 了进一步提 高电机 的性 能 ， 了新型直 流电动机 ， 为 引入 首先介绍 了其绕组结构 和工作 原理 ， 进而建立 了电机 的数学模 型和仿
且：
开通功率管 ２和 ３， 关闭其他 的功率管。当电机转过 ２ 电角 度 ， 入第 ２个 区域 后 ， 绕 组 的反 电势 由 ０ 进 ２号 正过 零变 负 ， 时为 了使 各个 绕组都 输 出正转 矩 ， 此 需要
给 ２号绕组通反 向电流 ， 应关断 ２ 号功率管， 开通 ４号 功率管。再转过 ２。 ０ 电角度后 ， ３号绕组反 电势发生 变化 ， 于是断 ３ ５， 通 以如此方式通断各个功率管 ， 保 证电机时刻运行在转矩最大的状态。
ｈ ｏ ｃ ｍ． ｎ ｏ．ｏ ｃ
第 ９期
陈敏祥 ， ： 型直 流电动机 特性仿真研究 等 新
・ ０ ７・ １８
新 型直 流 电动 机 的绕 组 接 线 图 如 图 １所 示 ， 电 该 动 机 由 ９个 绕 组元 件 组 成 ， 些 绕 组 元 件 连成 一 个 环 这 形 。 电子换 向单元 与绕 组元件 连接 的示 意 图如图 ２所
电感 限制电动机 的极限功率输 出； 电枢交流 电流使 ②
１ 新 型 直 流 电 动 机 的基 本 结 构 和 工 作 原 理
新型直流电动机与传统的无刷直流电动机的区别 主要在于绕组连接方式和电子换向的拓扑结构 。
电流实时检测和控制复杂化 ， 文献 ［ －］ 电机的发展 １２ 从
中图分类号 ： Ｍ３ ２ Ｔ ０ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ：０ １— ５ １ ２ １ ） ９—１８ ｏ １０ ４ ５ （０ １０ ０ ６一 ４
Ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ａ ａｙ ｉ ｆｎ ｗ ｉ ｌ ｔ ｎ ｌ ｓｓ ｏ ｅ ＤＣ ｔ ｒ ｏ ｍｏ ｏ
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１ ２ ４ ６、 绕组通 正 向 电流 ， 、 、 、 、 、 、 ８号 ３ ５ ７ ９号绕 组 通 反 向
，警 ＋
其中：
＝
Ｌ ・Ｉ ＋
从 而有 ：
电流 ， 此时输 出的正 向转矩 最大 ， 则 由图 ２可 知此 时要
ｕ Ｒ 警 ￡警 Ｅ ＝ ・ ＋
其 中： Ｕ ＝ ［ ，２ ，４ ，６ ，８ ９ Ｔ； １ ， ，５ ，７ ， ］ ３ Ｉ： ［ｌｉ， ， ， ， ， ， ， ］ ； ｉ， ｉ ｉ ｉ ｉ ｉ ｉ ２３４ ５６７ ８９ Ｉ＝ ［１ｅ，３ｅ，５ｅ，７ｅ，９Ｔ。 ｅ，２ｅ，４ ， ｅ，８ｅ］ ６
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按 照初 始假 定 ， 电感 矩 阵是恒 值矩 阵 。本研 究将 上 面的各 矩 阵式人式 （ ） 电压平衡 方 程矩 阵 ： Ｉ得
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真模 型 ， 然后利用该仿真模 型得到新型直流 电动机不 同负载下 的绕组 电流波形 和总电流波形 ， 将仿真结果 与实验结果进行 对 比， 验
证 了模 型的正确性 。之后利用仿真模 型进 一步分析 了新 型直流 电动机 的机械特性 ， 明 了仿 真结 果和实 验结果 的差异 及其 原 并说
因。仿真结果 显示 ， 新型 直流电动机的机械特性硬度好 ， 转矩波动小。 关键 词 ： 新型直 流电动机 ； 机械特性 曲线 ； 仿 Ｓ ｕｉｋ ｉ ｌ ｍ ｎ