无刷直流电动机电枢电流波形分析

无刷直流电动机电枢电流波形分析

0方波电机的发展由于无刷动力（以下简称bldm）具有体积小、重量轻、效率低、维护方便等优点，无刷动力在很多情况下成功地替代了直线无刷机，并在过去10年中迅速发展。由于转子的方波(或者梯形波)磁通励磁以及方波电压控制,我们又称之为方波电机。从理想化分析其电枢电流也应为方波电流,而实际并非如此。对于中、小电枢电流工作的BLDCM来说,我们并没有过多注重电枢电流的波形,但对于大电流工作的BLDCM来说,电流的保护不容忽视,从而使得电枢电流的分析更为重要。1主被动电压下的感应电势BLDCM的转子励磁采用永磁体励磁,转子结构如图1所示(p=2)。永磁体安装常见两种,即径向励磁和切向励磁,而径向励磁更为多见。由于励磁磁势为梯形波,每一个绕组元件的感应电势为梯形波(忽略齿槽影响)。以常见三相(星型接法)、24槽、p=2为例,每相每极元件为2,电角度相差30°。则该相的感应电势如图2所示。相绕组感应电势为梯形波。当BLDCM以三相六状态运行时,每相绕组通电区域应在相电势居中120°电角度,每60°电角度换相。在每个60°电角度内线反电势E1也为平顶波,流过该绕组的电流为:式中:Ua为母线电压,Ra为相电阻。从式(1)看出,当母线电压Ua和负载恒定时,电枢电流值也不变,每相线电流为方波电流。电流理想波形如图3所示。2有个功率机构自身电压。在主功率器件a图4和图5为某BLDCM实测电流波形图。从图中看,绕组电流波形时间段和理想电流波形时间段一致,但电流波形不是方波,有较大尖峰电流,尖峰电流的峰值达到平均电流(通电的120°电角度内)的两倍以上。当主功率器件有较大电流余量时,功率开关管还可承受尖峰电流,当工作电流较大时,特别对于大功率BLDCM,尖峰电流应加以限制。那这样的尖峰电流是如何产生的呢?3blcdm反电势波形的特征从式(1)可以看出,当母线电压Ua和负载不变时,影响绕组电流的参量只有反电势Ea,那在相绕组导通的120°电角度内反电势是否恒定?从实测电流分析来看,反电势一定不会恒定,使得电流产生尖峰的应该是反电势不恒定。图6～9是数个BLDCM的实测反电势波形。图6是BLDCM为36槽,p=2,径向励磁,图中ch1和ch2为相反电势波形,Match为线反电势。从图6上看,相电压接近梯形波,波顶有下凹,正是这下凹,使得线反电势并非平顶波,而接近正弦波。图7为某无槽BLDCM(径向励磁)的相反电势和线反电势波形,图中ch1和ch2相反电势波形接近正弦,Match线反电势,其波形更接近正弦而非平顶波。图8为BLDCM为12槽,p=2,径向励磁,图中ch1和ch2为相反电势波形(波顶有两个凹点),Match为线反电势(波顶有一个凹点)。线电压呈现马鞍波形。图9为BLDCM为12槽,p=2,切向励磁,图中ch1和ch2为相反电势波形(波顶有两个尖峰),Match为线反电势(波顶有一个尖峰)。从实测数个BLDCM反电势波形来看,线反电势确实并非平顶波。如果是平顶波,且平顶区域大于60°电角度,那么电枢电流的波形应是方波,和理论电流波形图3应当一致。线反电势并非平顶波,正是造成非方波电流的主要原因。那造成线反电势的波形并非平顶波的原因主要是什么呢?每个元件的感应电势为:电机转速我们先认为是稳定的,影响感应电势的因素只能是单位时间通过元件的磁链变化量有波动(只考虑相反电势居中120°电角度内)。其主要原因是电机定子齿槽引起的。下来我们分析一下电机转速是否稳定,BLDCM由于电枢磁势并非圆形旋转的,而是跳变的(转子每转过60°电角度,跳变一次),因此我们常说BLDCM转矩脉动(还有一些其它原因会造成转矩脉动),转矩脉动势必会产生转速脉动,但转速脉动量并不足以加重反电势波动。也就是说转速脉动使得反电势波形并非平顶波的因素较小。所以总体而言,使得反电势波形并非平定波的主要原因是通过元件的磁链波动。现解释图4和图5的成因:该BLDCM的线反电势一定不是平顶的,而是接近正弦。在有相电流的120°电角度内,有一次换相,比如从AB换到AC,电流波形左右对称,由于反电势和电枢电流成反比,所以将该120°电角度电流波形上下翻转,就是AB和AC线反电势的波顶(各60°电角度)。4有效值电流波动从实测波形上来看,BLDCM的线反电势并非平顶波,正是由于顶部(居中60°电角度内)不平,使得在方波电压控制下,电流并非方波,也就是说图3中电流波形的顶不平,不平的程度取决于线反电势的顶部居中60°电角度内的波动量。波动量越大,尖峰电流越明显。对于主功率电路来说,虽说这时的平均电流并没有超过主功率管的允许值,但其尖峰电流会对主功率期间造成威胁。过大的尖峰电流很有可能损坏主功率器件及功率驱动电路。同时通过平均电流(直流电流表读数)计算电机铜耗也将变得不准确,应该使用绕组有效值电流计算铜耗。电流的波动越大,有效值和平均值的差异越大。并且尖峰电流对于主功率及驱动的瞬态威胁更为明显。既然反电势波顶不平是由于通过电枢元件磁链波动,很大程度上由于电机定子齿