无刷直流电动机的运行特性

无刷直流电动机的运行特性

2009年10月14日

无刷直流电动机的运行特性

为简单起见，以表面式永磁体转子结构的两相导通三相星形六状态的无刷直流电动机为例进行分析，并进行如下假定：

(1)气隙磁密在空间呈梯形波(或近似方波)分布。

（2）三相绕组对称，其对应的电路单元也完全一致。

（3）忽略电枢齿槽效应、电枢反应和换向过程等的影响。

对于表面式永磁体转子结构[见图6 2(a)或图6—8(a)]转子各方向磁路的磁阻基本上不随转子位置的变化而变化，所以定子相绕组的自感L和互感M均为常数。这样，定字三相绕组的电压平衡方程为

式中：p为微分算子，p—d／di ua ub uc 为定子相绕组电压；ia ib ic 为定子相绕组电流；ea eb ec 为定子相绕组感应电动势。

当三相绕组为Y连接且没有中线时，有

根据式(6 5)，可以得到如图6—9所示的无刷直流电动机的等效电路。

无刷直流电动机气隙磁密的波形如图6 10(a)所示。当转子旋转速度为恒值时．定子每相绕组感应电动势的波形应该与气隙磁密波形一致，为简化分析．可将它近似为梯形波，如图6 10(b)

所示。为了减小转矩脉动，感应电动势波形的平顶宽度应大于120。电角度，通常就把各相绕组的感应电动势看成是平顶宽度为120。电角度的梯形波，并且各相感应电动

单根导体在气隙磁场中的感应电动势为

式中：la为电枢导体的有效长度；μ为导体的线速度，。一等茅一等手；D为电枢内径；p为电机极对数；τ为极距

设电枢绕组每相串联匝数为Nφ，每相绕组的感应电动势为

梯形波气隙磁密的每极磁通为

式中：“ai为计算极弧系数。

计算极弧系数a．是为了便于磁路的计算而引入的系数．定义为计算极弧宽度与极距的

比值(或气隙磁密平均值与最大值的比值)。

比较式(6—6)与式(6 8)，可得

把式(6 9)代人式(6—7)，可得

从直流端看，任何时刻两相导通三相星形六状态的无刷直流电动机的感应电动势E都

是两相绕组感应电动势的串联．所以有

式中：ce为电动势系数，

2．电枢电流

不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感，无刷直流电动机的电压平衡

方程式可以简化为

式中：U为直流电源电压；△U，为开关器件的管压降；J。为每相电枢绕组电流；R。为每相电枢绕组电阻。

由式（6-12）得

3．电磁转矩

无刷直流电动机的电磁功率为

根据电动机电磁功率与电磁转矩的基本关系，无刷直流电动机的电磁转矩为

4．电机转速

由式(6-11、式(6-12)，可得无刷直流电动机的转速为

在理想空载情况下，电机转速为

由以上推导过程可以看出．无刷直流电动机的基本公式与普通直流电动机是相似的，因此可以预计无刷盲流申动机具有和普通直流电动机一样优良的运行特性。

三、运行特性

1．机械特性

由式(6-16)和式(6-15)，可以得到无刷直流电动机的机械特性方程，即

相应的特性曲线如图6 11所示。可见，无刷直流电动机的机械特性为一直线，随着直

流电源电压的增加，机械特性向上平移，而直线斜率β保持不变。

需要注意的是，开关器件的管压降△U不是恒定不变的。当转矩较大、转速较低时，流

过电枢绕组和开关器件的电流很大，这时管压降△U会增大，使实际加在电枢绕组上的电压

减小。因而图6—1 1所示的无刷直流电动机的机械特性曲线会偏离直线，稍微向下弯曲。

2．调节特性

根据式(6—18)．并利用Te=TL的关系，可以得到无刷直流电动机的调节特眭方程，即

相应的无刷直流电动机的调节特性曲线如图6-12所示。可见，无刷直流电动机的调节

特性也为一直线。随着负载转矩TL的增加，机械特性向右平移．而直线斜率a保持不变。

需要注意的是．在负载转矩TL为零的时候，电动机的始动电压U0也并非为零，而应是开关器件管压降的两倍．即U0=2ΔU。

从以上分析可以看出，无刷直流电动机的两个主要运行特性——机械特性和调节特性都是线性的．可以通过调节直流电源电压实现无级调速，调速控制性能优异。