無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩詳解

在本文中，我們將解釋方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)這兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如何影響電機(jī)扭矩性能。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)扭矩

與方波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，正弦波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更小，運(yùn)行更平穩(wěn)。

讓我們使用電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理來(lái)考慮其原因。如圖 2.2 所示，電機(jī)的理想驅(qū)動(dòng)方法是根據(jù)弗萊明左手定則，使磁通量和線圈電流始終正交。這種驅(qū)動(dòng)方法適用于所有電機(jī)類型。在直流有刷電機(jī)中，這是通過(guò)機(jī)械換向完成的。為了解釋無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理，我們將使用一個(gè)簡(jiǎn)化的三相 2 極模型，如圖 3.4 所示。

轉(zhuǎn)子在北極和南極之間的中心包含一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。在圍繞轉(zhuǎn)子磁體的定子中，U 相、V 相和 W 相線圈繞組彼此偏移 120°。

U+、V+、W+接驅(qū)動(dòng)電路，Uc、Vc、Wc接在一處(公共端)。在這里，我們將從驅(qū)動(dòng)電路流向公共端的方向指定為“正”，將從公共端流向驅(qū)動(dòng)電路的方向指定為“負(fù)”。

讓我們?cè)敿?xì)了解特定相的線圈。從圖 3.5 中線圈和轉(zhuǎn)子磁鐵的狀態(tài)可以看出，轉(zhuǎn)子和定子的位置與它們?cè)谥绷饔兴㈦姍C(jī)中的位置相反。如果電流流過(guò)該點(diǎn)，如圖3.5所示，南極側(cè)會(huì)產(chǎn)生向下的電磁力，北極側(cè)會(huì)產(chǎn)生向上的電磁力，由弗萊明左手定則確定. 然而，由于無(wú)刷電機(jī)中的線圈是固定的，因此作用在轉(zhuǎn)子磁鐵上的反作用力會(huì)使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

在圖 3.5 所示的狀態(tài)下作用于繞組的電磁力F [N] 可使用在 DC 電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理部分中說(shuō)明的以下公式計(jì)算得出。

然而，如果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并呈現(xiàn)圖 3.6 所示的狀態(tài)，則作用在導(dǎo)體上的電磁力F會(huì)在線圈向外側(cè)延伸的方向上產(chǎn)生，因此不會(huì)產(chǎn)生朝向轉(zhuǎn)子的力(扭矩)旋轉(zhuǎn)部分的磁鐵。

換言之，對(duì)于導(dǎo)體而言，作為轉(zhuǎn)矩起作用的磁通密度B的方向與旋轉(zhuǎn)軸正交并且根據(jù)轉(zhuǎn)子磁體的旋轉(zhuǎn)角度而變化。

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，假設(shè)作為扭矩作用于彼此偏移 120° 的 U 相、V 相和 W 相線圈的磁通密度變?yōu)檎仪€形式。

圖3.4所示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為0°、最大磁通密度為B0順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與各相磁通密度的關(guān)系，分別表示為Bw、Bv、Bw，由式(3.2)表示。

3.2.1 對(duì)于方波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為了解釋使用方波驅(qū)動(dòng)時(shí)的電機(jī)扭矩，我們將使用簡(jiǎn)化的三相 2 極模型，如圖 3.4 所示。

驅(qū)動(dòng)電流

對(duì)于方波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)刷電機(jī)，如“2.2.2 無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理”中所述，電流根據(jù)轉(zhuǎn)子角度的勵(lì)磁模式流向 U 相、V 相和 W 相的線圈由磁極傳感器檢測(cè)。

如果順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，圖 3.4 所示的轉(zhuǎn)子角度為 0°，電機(jī)電流為i m，則轉(zhuǎn)子角度與各相的相電流之間的關(guān)系如圖 3.8 所示。

此時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角在30°和150°之間時(shí)，流過(guò)U相的電流為im，在210°和330°之間為-im。相對(duì)于 U 相電流，V 相和 W 相的電流分別經(jīng)歷 120° 和 240° 的相位延遲。

電機(jī)扭矩

使用電磁力 F 和從轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心到導(dǎo)體的距離 r 計(jì)算每個(gè)相線圈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 T。

因此，電機(jī)轉(zhuǎn)矩是各相線圈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和，用下式表示。

如果將r、l、 im和B0設(shè)置為 1，并且使用公式(3.2)、圖 3.8 和公式(3.5)根據(jù)每個(gè)轉(zhuǎn)子角度的電流和磁通密度計(jì)算每相轉(zhuǎn)矩，則結(jié)果是圖 3.9 所示的扭矩波形。因?yàn)槊哭D(zhuǎn)產(chǎn)生6個(gè)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，所以在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生速度脈動(dòng)。

3.2.2 對(duì)于正弦波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為了解釋使用正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)的電機(jī)扭矩，我們將使用簡(jiǎn)化的三相 2 極模型，如圖 3.4 所示。

驅(qū)動(dòng)電流

當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，相位差為 120° 的正弦電流如圖 3.10 所示，流向 U 相、V 相和 W 相的線圈，它們與相差 120°另一個(gè)。在圖 3.4 中，若順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為 0°，電流最大值為im，則各相電流分別記為iw1、iv1和iw1，如式(3.6)所示。

電機(jī)扭矩

與方波驅(qū)動(dòng)一樣，電機(jī)轉(zhuǎn)矩是各相線圈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和，使用公式(3.5)計(jì)算。

此外，公式(3.5)可以使用公式(3.2)和公式(3.6)簡(jiǎn)化如下所示。

設(shè)式(3.7)中的r、l、im、Bo為1，計(jì)算各轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角各相電流與磁通密度的乘積之和，則轉(zhuǎn)矩波形如圖. 3.11. 式(3.7)中，轉(zhuǎn)子角θ項(xiàng)消失，圖3.11中電機(jī)轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。換言之，采用正弦波驅(qū)動(dòng)，任何旋轉(zhuǎn)都沒(méi)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速旋轉(zhuǎn)時(shí)也可以平穩(wěn)運(yùn)行。

為了獲得最佳性能，Oriental Motor 的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用正弦波驅(qū)動(dòng)方法。

審核編輯：湯梓紅