反电势控制永磁电机的设计.pdf

论文丁万。,。二。、。,。,。、本文年月日收到反电势控制永磁电机的设计刘春和中船 总公司七。七所场摘共本文介绍锁相伺服系统控制的无刷直流 电机的结构与计算特点,文中对在该种控制方式下由电机电枢绕组反 电势、电磁转矩、电磁功率及 电流等计算公式进行了推导。所 得结论可供设计者参考。一日且鑫、口二反电势控制的永磁 电机是一种以锁相伺服系统控制的无刷直流电机由于它不用转子位置传感器、效率高、转速稳定等优点,所以这种电机很适合于用作陀螺电机与一载磁化曲线,是对两种不同截面用上述方法求得极间漏磁系数后,用的磁路算法计算而得,这样处理是合理的漏磁得出较准确的结果,对转子截面形状也可考虑磁路各局部均衡饱和对尺寸的适当取舍。五、结语今考文做备爪形磁极同步发电机结构复杂,仅就转子漏磁而言,本文所叙也仍不完整,如爪极根圆外侧面间有途经定子铁心或外周空间闭合的外漏磁,但此类漏磁在采用多段爪极轴向相迭的结构时会由于相邻两组爪极磁势方向相反而致外漏磁通量可忽略不计又如本文假定不计定子铁心磁阻,但由于爪极极面呈梯形,一极梯形底部磁通直接进入定子折回相邻爪极时,会遇到另一爪极的梯形顶部,如气隙磁密沿轴向大体均匀,则势必有一部分磁通从一爪极梯形底部进入定子铁心后要横穿定子铁心折回到达相邻爪极底部,这样,磁场在定子铁心中要遇到各向异性介质间题,完全不计定子铁心磁阻显然是不恰当的。与传统的漏磁导计算公式相较,本文所述方法有可取之处,它可对不同极形的切向豆互。且石。众互从皿且双且,欲。只,石从几从从叮。班订 三“。双。及从二。伪习及且班从东皿刀幻且只只。”旦从么刀会甩双艺刃狄“,。“。刀田,亘飞,汪。一。乃二。掩不一胡之光电机电磁场的分析 与计算珠神、二。二、杏认、。、。必。论文般的无刷直流电机几几同,这种电机取电枢绕隙磁通大为减少。实践表明,对衫钻磁钢来组的反 电势作转子幼位性信一号控制 开关电说,当极距气隙扔小于时就会 使气路。而这又正呈利爪了陀螺电机转速高、转隙磁 通大为减少。而 只要乙大于一,动淡量大这 一特点。电厄绕组通电流的时间随着气隙的加大,气隙磁通减少就比较慢是间断的,而且 通时间较短,尤其是不在增加气隙除用 铜 量增加之外对陀螺电机反 电势为零时通电流,以便于取出反电势一来说是无足轻重的,对电机的力能指标几转子的位置信一号,而间断通电所造成的转矩乎没有影响波动一转速波动,则被高转速和大转动惯量磁钢沿磁化方向的长度也应根据所 平滑,理论推导和实验都证明这种电机的气隙的大小来选择。从原理上来说,气隙大转速稳定度与所用的品体振荡器的精度相差小一定时,磁钢沿磁化方向越长,则气隙磁不大当然这种控制方式也给电机设计带来密越大但磁路计算和实践都表明,。达一系列特殊问题,本文对此作一探讨到一定数值之后,再增加下去,气隙磁密的增 加极 微。通常邝二就已足二、电机的结构形式够滋在陀螺电机中,为了加大转动惯量,往往采用内定子、外转子的形式。为减少铁耗有时把电枢扼铁也移到转子上,或采用软磁铁氧体作电枢扼铁为了消除相间互感,方便取反电势,简化控制线路,电枢绕组大都采用两相集中绕组。转子采用衫钻永久磁钢,这种磁钢性能较稳定,矫顽力、剩磁和磁能积都非常高。这就为采用大气隙的无槽结构或无铁心电枢创造了有利的条件,同时在设计计算时可不考虑电枢电流对气隙磁场的影响,电枢绕一组的 电感也可以忽略。这种电机的极对数应尽可能选择 得多些因为极对数多可使集中绕组的端部连接线相对减少,这就减少了这种电机的主要无用损耗一铜耗同时由于扼部磁通的减少可减少扼部的铁耗或减少扼铁的厚度。但极对数的增加受到工艺水平的限制,这主要是磁钢的加工、充磁、电枢绕组线圈的绕制都随着极对数的增加而难度增大据有关文献的推证,当极对数为时,气隙可 以是无限大一无电枢铁心,只是考虑到磁屏蔽才加电枢磁扼但当极对数较多时,气隙太大会造成过多的极间漏磁,使气三、电枢绕组反电势的计算咨导体切割与其垂直的磁力线时,导体产生反电势的值为二式中一导体的根数一磁通密度特斯拉一切割磁场的导体长度米一导体切割磁场的速度米秒一绕组反电势伏在电机的气隙中可以认为磁力线与电枢绕组的有效边相垂直当电枢与气隙磁场间有相对转动时,在某一时刻,电枢某一相绕组的线圈边中心线处在磁场的 角处图,在角度元范围内的导体产生的反电势为一鹦。九与式相对应,。,二二若气隙磁密 按正弦分 布,即“,则牡,一一,二召一,卜,二,。二。日局二 二二一井二下犷一一石。二二既使。与正弦分布有些差异,反 电势的最大值二仍可按式作近似计算,由该值再根据外加电压选择绕组线圈的匝数,。标四、电磁转矩和 电磁功率图北。一相绕组在角处的反电势为,一日一日兀。日一日二。日二或二。日日式中一极对数一每个绕组线圈的匝数日 一一极下两绕组线圈一边所占的电角度一绕组导体的角密度阳根弧一绕组反电势伏一电枢直径米一电枢有效长度米。一转速转分一一相电枢绕组支路数。、。一气隙磁密及其最 大值特显然反电势也是转角的正弦函数,即式中一绕组反电势最大值伏。可表示为通电导体在磁力线与其垂直的磁场中所受到的力为在图角处,角度元内的导体通以电流,则其产生的转矩为二。二。式中一 角处的电流瞬时值一根导体安在。角处一相绕组产生的转矩为玉,一日一一日式中日一日一角处的电机转矩牛顿一米。由于绕组线圈都是串联或对称并联的,在同一时刻各导体中的电流相等,所以上式可 写成。二日一日日若。一则谕。日户矛口内。、,。日,、乙畜上勺尹,、卜,论文。若加到电枢绕组上的 电压为,再 忽略绕组电感,则导体中的 电流为在反电势控制的永磁陀螺电机中,无论是脉 冲调宽控制,还是调幅控制,其电流都是脉冲形成的,因而转矩也是脉动的电机的 电磁功率为讨人了。将式一。代入式,则由于陀螺电机的转速高,转动惯量大,正常运转时可认为其角速度。为常 值,则上式为。一二二万一一一一比口、丁一几了平均电磁转矩 为二,一一一,一万又“艺”,一”“乙”少少。止丹犷田人压介一式中。一角速度秒如图所示,在一周期内,一相绕组有式中二二。日“。日二式可用于校验电 磁转矩 及导通角一如图所示,电机的 电磁功率还可写为。一兀月上一,一一一砚 二二犷二二二一二尸,汤几将式、份于,兀,代入上式,得,相工班日,一。一北。一卫亡鱼一,一一。一奋两次通电时间双向导通,只有在导通时间内一期 间才产生转矩,而且电枢绕组共有相,于是上式可改写为式中氏一导通起始角一导通截止角。鱿,八石二二申性皿乙五、电流的计算式中一电枢绕组的相数一导通系数,双向导通为,单向为由定义,下生【一电流的平均值为触,。一。、,二。,。一由图可知,电机输入 电流的总平均值为厂吵户北八下一一一厂一,刃北一一一式中一电机输入 电流的平均值一电枢绕组相 电阻输入电机的电功率为一叹协,二二,一厂了】图电机正常运转时,在导通角范围内可以认为电枢绕组上的外加电压基本不变,即,所以加大时,由于外接电子线路 的控制使前移反之,负载减小时后移,即二,百一,常值、于是式、变成尸下布一一丫一爹奇,根据此式,在试验中测出电机输入的总平均电流和加在电枢绕组上的电压就可得电机的输入功率而相电流的有效值,按定义为北一,一了争丁一,二十丁乙吸加。一。丫处兰对元一一介。孔一己几一了止王一衬五一一。厂百一二丁一下丁尸不一石贾万叫,玄一,一一一蕊一一一乙,一一式中一导通角一。一式中,一相 电流的平均值安电枢绕组的铜耗为。一,按能量守恒定律应有一澎。六、不同控制状态 各的计算脉冲电流润宽控侧如图所示,二是固定的,负载卜一一一一门卜一一一一日每图脉冲电流润侣控翻如图所示,负载加大时,外电路控缸寸电压升高,电流脉冲也随之升高负载减小时,电压下降,电流也随之下降导通角为恒定值,如二,二一丫二二二于是二一,论文边中心线处于角时,在线圈边占空角日内取微角日,在月范围内的导体产生的切割反电势之和近似 为日兀七匕,尹一万兀一一一、玄一导二十任介卫旦,兀、二。日从日角的左端到右端共取个日,则在这个位置上一相绕组的总反电势为个之和丫一兀几、一月性一兀一、沪艺兀。北“万一十艺。日兀闷一一丝士早一、一万。或日艺。尸此外,还有采用恒流控制的永磁电机由于导通角内电流为常值,公 式 可 更为简化兀,万下万二,一一一一匕以日硅七、气隙磁场为任意波形的近似计算显然,。是磁场中角处日 角范围内气隙磁密的平均值由于绕组是串联 或 对称 并联,所以各导体中的电流相同一则在日 范围内导体产生的转矩在实际设计电机时,气隙磁密波形有时与正弦曲线差别较大,按上述各式算出的值与实际值存在着较大的误差。在 这种情况下,可按磁路计算或实测的气隙磁密波形。作 逐点计算如图所示,当 线圈一。,今。乙日。产一相绕组产生的转矩在角处为艺浮工工工邸邸邸耽耽粥鲜鲜日艺。图或日艺。产日。这样,只要求出线圈中心线处在角处角范围内气隙磁密的平均值。可逐 点取值作平均,也可作与后。的近似函数的下转第页绝渗动动于位对应的由距效效动动于位对应的徽步距致致退退行控翻字字遇遇行徽步距致低八位位退退行步巨傲商八位位时时间常效字字退退行控翻字字遥遥行,尾效低八位位运运行徽步距盆有八位位时时间常致宇宇运行控指令中,前一字节为低八位,后一字节为高八位。第四个单元存放时间常数字。该时间常数字确定了每个微步距所占的时间。正余弦信号频率就是 由这个时间常数字决定的。、根据计算机运算速度及两相直 线步进电动 机的定位要求,细分度为。程序流程框图程序流幸是框下如闰所示。知运行控翻组令,图运行控制表格格式式中细分度从单元开始,以四个内存 单元为一组,存放运行控制指令。运行控制指令格式规 定如下第一个内存单元为运行方式。当该单元的。时表示正向运动,二时表示反向运动,时表示 暂停,表示停止运行。这四位中只允许其中一位为,其它位必须为。第二、第三两个单元存放以该控制指令运行方式和时 间常数运行的微步距数,也就是该运行情况持续的距离或时间。两个字节自自出认七七扣余竺 仇仇加图程序流程框图上接第页积分运算,可按式、求出该处的、。在整个导通角丫内每隔取一点,共取点,分别求出线圈中心线处于各点时的。、然后作如下运算电机转矩的平均值为艺几铸马达输入的总电流平均值为成旦乏。相电流的有效值为至于 电机气隙磁场的计算,因为这种电机的气隙磁场同一般电机的气隙磁场无甚差别,既可按传统磁路计算,也可用有限元法计算但由于这种电机多采用大气隙无槽结构,故在初步估算后,再用实测 方 法 获得。,对以后的运算更为简便。一鲁誉一