無刷直流電動機(jī)電樞電流波形分析

無刷直流電動機(jī)電樞電流波形分析

0方波電機(jī)的發(fā)展由于無刷動力（以下簡稱bldm）具有體積小、重量輕、效率低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無刷動力在很多情況下成功地替代了直線無刷機(jī)，并在過去10年中迅速發(fā)展。由于轉(zhuǎn)子的方波(或者梯形波)磁通勵磁以及方波電壓控制,我們又稱之為方波電機(jī)。從理想化分析其電樞電流也應(yīng)為方波電流,而實(shí)際并非如此。對于中、小電樞電流工作的BLDCM來說,我們并沒有過多注重電樞電流的波形,但對于大電流工作的BLDCM來說,電流的保護(hù)不容忽視,從而使得電樞電流的分析更為重要。1主被動電壓下的感應(yīng)電勢BLDCM的轉(zhuǎn)子勵磁采用永磁體勵磁,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示(p=2)。永磁體安裝常見兩種,即徑向勵磁和切向勵磁,而徑向勵磁更為多見。由于勵磁磁勢為梯形波,每一個(gè)繞組元件的感應(yīng)電勢為梯形波(忽略齒槽影響)。以常見三相(星型接法)、24槽、p=2為例,每相每極元件為2,電角度相差30°。則該相的感應(yīng)電勢如圖2所示。相繞組感應(yīng)電勢為梯形波。當(dāng)BLDCM以三相六狀態(tài)運(yùn)行時(shí),每相繞組通電區(qū)域應(yīng)在相電勢居中120°電角度,每60°電角度換相。在每個(gè)60°電角度內(nèi)線反電勢E1也為平頂波,流過該繞組的電流為:式中:Ua為母線電壓,Ra為相電阻。從式(1)看出,當(dāng)母線電壓Ua和負(fù)載恒定時(shí),電樞電流值也不變,每相線電流為方波電流。電流理想波形如圖3所示。2有個(gè)功率機(jī)構(gòu)自身電壓。在主功率器件a圖4和圖5為某BLDCM實(shí)測電流波形圖。從圖中看,繞組電流波形時(shí)間段和理想電流波形時(shí)間段一致,但電流波形不是方波,有較大尖峰電流,尖峰電流的峰值達(dá)到平均電流(通電的120°電角度內(nèi))的兩倍以上。當(dāng)主功率器件有較大電流余量時(shí),功率開關(guān)管還可承受尖峰電流,當(dāng)工作電流較大時(shí),特別對于大功率BLDCM,尖峰電流應(yīng)加以限制。那這樣的尖峰電流是如何產(chǎn)生的呢?3blcdm反電勢波形的特征從式(1)可以看出,當(dāng)母線電壓Ua和負(fù)載不變時(shí),影響繞組電流的參量只有反電勢Ea,那在相繞組導(dǎo)通的120°電角度內(nèi)反電勢是否恒定?從實(shí)測電流分析來看,反電勢一定不會恒定,使得電流產(chǎn)生尖峰的應(yīng)該是反電勢不恒定。圖6～9是數(shù)個(gè)BLDCM的實(shí)測反電勢波形。圖6是BLDCM為36槽,p=2,徑向勵磁,圖中ch1和ch2為相反電勢波形,Match為線反電勢。從圖6上看,相電壓接近梯形波,波頂有下凹,正是這下凹,使得線反電勢并非平頂波,而接近正弦波。圖7為某無槽BLDCM(徑向勵磁)的相反電勢和線反電勢波形,圖中ch1和ch2相反電勢波形接近正弦,Match線反電勢,其波形更接近正弦而非平頂波。圖8為BLDCM為12槽,p=2,徑向勵磁,圖中ch1和ch2為相反電勢波形(波頂有兩個(gè)凹點(diǎn)),Match為線反電勢(波頂有一個(gè)凹點(diǎn))。線電壓呈現(xiàn)馬鞍波形。圖9為BLDCM為12槽,p=2,切向勵磁,圖中ch1和ch2為相反電勢波形(波頂有兩個(gè)尖峰),Match為線反電勢(波頂有一個(gè)尖峰)。從實(shí)測數(shù)個(gè)BLDCM反電勢波形來看,線反電勢確實(shí)并非平頂波。如果是平頂波,且平頂區(qū)域大于60°電角度,那么電樞電流的波形應(yīng)是方波,和理論電流波形圖3應(yīng)當(dāng)一致。線反電勢并非平頂波,正是造成非方波電流的主要原因。那造成線反電勢的波形并非平頂波的原因主要是什么呢?每個(gè)元件的感應(yīng)電勢為:電機(jī)轉(zhuǎn)速我們先認(rèn)為是穩(wěn)定的,影響感應(yīng)電勢的因素只能是單位時(shí)間通過元件的磁鏈變化量有波動(只考慮相反電勢居中120°電角度內(nèi))。其主要原因是電機(jī)定子齒槽引起的。下來我們分析一下電機(jī)轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定,BLDCM由于電樞磁勢并非圓形旋轉(zhuǎn)的,而是跳變的(轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°電角度,跳變一次),因此我們常說BLDCM轉(zhuǎn)矩脈動(還有一些其它原因會造成轉(zhuǎn)矩脈動),轉(zhuǎn)矩脈動勢必會產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈動,但轉(zhuǎn)速脈動量并不足以加重反電勢波動。也就是說轉(zhuǎn)速脈動使得反電勢波形并非平頂波的因素較小。所以總體而言,使得反電勢波形并非平定波的主要原因是通過元件的磁鏈波動?，F(xiàn)解釋圖4和圖5的成因:該BLDCM的線反電勢一定不是平頂?shù)?而是接近正弦。在有相電流的120°電角度內(nèi),有一次換相,比如從AB換到AC,電流波形左右對稱,由于反電勢和電樞電流成反比,所以將該120°電角度電流波形上下翻轉(zhuǎn),就是AB和AC線反電勢的波頂(各60°電角度)。4有效值電流波動從實(shí)測波形上來看,BLDCM的線反電勢并非平頂波,正是由于頂部(居中60°電角度內(nèi))不平,使得在方波電壓控制下,電流并非方波,也就是說圖3中電流波形的頂不平,不平的程度取決于線反電勢的頂部居中60°電角度內(nèi)的波動量。波動量越大,尖峰電流越明顯。對于主功率電路來說,雖說這時(shí)的平均電流并沒有超過主功率管的允許值,但其尖峰電流會對主功率期間造成威脅。過大的尖峰電流很有可能損壞主功率器件及功率驅(qū)動電路。同時(shí)通過平均電流(直流電流表讀數(shù))計(jì)算電機(jī)銅耗也將變得不準(zhǔn)確,應(yīng)該使用繞組有效值電流計(jì)算銅耗。電流的波動越大,有效值和平均值的差異越大。并且尖峰電流對于主功率及驅(qū)動的瞬態(tài)威脅更為明顯。既然反電勢波頂不平是由于通過電樞元件磁鏈波動,很大程度上由于電機(jī)定子齒