基于反电势的无刷直流电机相电流波形分析

基于反电势的无刷直流电机相电流波形分析

0平顶宽度不同理想的无刷直流电机采用方波电流驱动。但在实际电机设计中梯形波气隙磁感应强度平顶宽度小于理想宽度,同时齿槽效应和电感的存在影响,实际电枢绕组上的电流不可能为方波。本文通过对一台电机分别建立基于理想反电势和基于实际反电势的simulink模型进行仿真分析并通过实验验证,对相电流的波形进行了研究。1电机电流的模型建立对于理想的两相导通星形三相六状态无刷直流电机,梯形波气隙磁感应强度在空间宽度应大于120电角度,在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势平顶宽度应大于120电角度,以此来产生宽度为120电角度的方波电流驱动电机。但由于实际中电感和换相过程的存在,电流不可能为方波。文献建立了考虑绕组电感的电路模型采用数学解析的方法得到基于理想反电势的相电流波形,如图1所示。不同电机电气时间常数不同,波形略有差别,但总体趋势不变。本文针对一台额定电压270V,额定转矩4Nm,每极每相槽数q=2的无刷直流电机进行建模。建立基于平顶宽度为120电角度的梯形波反电势的Simulink模型,分别做电机空载(考虑自身摩擦转矩)和额定负载的仿真,分别得到相电流波形如图2所示,可以看出在理想反电势下电机空载和负载相电流波形差别不大。2基于数据的联合仿真为了使仿真结果更接近于实际,采用有限元分析软件MagNet对电机建模得出其实际的反电势波形,通过DirectLookupTable(n-D)3模块把实际反电势波形导入simulink模型,实现两种软件的联合仿真。2.1无刷直流电机的反电势波形按照创建几何模型、设定物理属性、网格剖分的步骤建立无刷直流电机的MagNet模型。得出无刷直流电机的相反电势波形和线反电势波形,如图3、图4所示。可以看出,电机设计的相反电势接近于梯形波,但平顶宽度小于120电角度,再加上齿槽效应的影响导致线反电势的波形更接近于正弦波,而不是理想中的平顶宽度大于60电角度的梯形波。2.2n-d仿真模型通过DirectLookupTable(n-D)3模块,将得到的单位转速下的相反电势导入simulink模型中,以此来代替理想的反电势得到更接近于实际的仿真模型。(1)理想反电势下相电流波形电机空载时相电流波形仿真结果如图5(a)所示,可以看出此时跟基于理想反电势时仿真的相电流波形有很大差别。图5(b)为该电机空载所得到的实验波形,与仿真结果比较接近。(2)电机额定负载实验电机额定负载时相电流波形仿真结果如图6(a)所示。图6(b)为电机额定负载时所得到的实验波形,与仿真结果比较接近。通过以上分析可看出,基于理想反电势的无刷直流电机在空载和额定负载时电流波形基本一致,但在实际中两种情况下的电流波形有差别。3不同负载时,线电流波形随极弧系数的变化以半个电气周期为例,分析A相电流波形,忽略电感影响的电流瞬时表达式为:如果反电势为理想的平顶宽度为120电角度波形,那么线反电势也为平顶宽度为60电角度的梯形波,如图4虚线所示,此时e=eAB=eAC,在半个电气周期内忽略电感的影响A相电流接近方波。设电机槽数为Z,极对数为p,每极每相槽数为:当绕组采用集中绕组即q=1时,一般都可以保证梯形波反电势平顶宽度达到120电角度,但在一些电机设计中基于其它方面的考虑,绕组采用分布绕法q≠1,此时梯形波反电势的平顶宽度会比q=1时减小60-360p/z电角度,图7所示为时有限元软件得到的每极每相下导体反电势和叠加后的反电势波形,可以看出经过叠加以后反电势平顶宽度变小。由于实际反电势的平顶宽度小于120电角度和齿槽效应的影响,导致实际的线电势更接近于正弦波,图4所示。在60电角度内不恒定,波形如图4加粗部分,的波动正是造成电机空载时A相电流的波动的原因。实际工程中,线反电势的瞬时值有时候会大于端电压,此时正相电流的瞬时值会出现负值。图8为这种情况时的相电流波形。在不同的负载下电机转速不同,线反电势幅值不同,反电势波动对电流造成的波动的影响也不同。因此,随着负载增大,电机转速变小,相电流波形也逐渐接近于理想反电势时的波形。图9所示为逐渐增加负载时的相电流波形变化趋势。如果电机设计的齿槽效应影响比较大,线反电势波形如图10所示,波峰由于齿槽效应而出现下凹,这会使电机空载时电流的波形出现多余的波峰。图11为这种情况下的空载相电流波形。通过以上分析可以看出,导致无刷直流电机空载或者轻载时电流波形出现比较大的波动的原因主要是线电势波动,造成线电势波动的原因有一下几点:(1)由于采用分布绕组q≠1,导致相电势平顶宽度小于120电角度。(2)由于齿槽效应线电势接近于正弦波而不是理想中的梯形波。(3)考虑漏磁影响,极弧系数αp<1。另外由于齿槽效应的影响,气隙磁密平顶宽度小于αpπ,也导致相电势平顶宽度小于理想值。4无刷直流电机中相电流波形的选择本文通过对基于理想反电势和实际反电势的无刷直流电机simulink模型进行电流波形仿真,并用实际电机对其进行实验验证,得出结论:(1)无刷直流电机相电流波形取决于电机设计中反电势的波形。(2)对于基于平顶宽度为120电角度的梯形波反电势波形,无刷直流电机相电流波形在不同负载下基本一致。(3)对于平顶宽度小于120电角度的梯形波,无刷直流电机相电流波形在不同负载下不同,负载越大越接近于