永磁无刷直流电机的应用

永磁无刷直流电机的应用

1永磁电机的优势与普通直流电机类似，无刷刷机为b.dom，具有高效率、动态性能好、电机速度性能好等优点。由于无刷电动机取消了电刷和换向器间的滑动接触,因此具有寿命长、可靠性高、噪声低、能用于防爆场所等特点,使得它在各行各业中的应用越来越广泛。而转子位置是控制BLDCM所需的重要信号。霍尔传感器具有便宜、可靠、安装简便等优点,成为较普遍使用的一种传感器。位置传感器的安装精度对永磁电机的运行性能影响很大。通常霍尔传感器有两种安装方法,一种是单独安装在非驱动端,并在轴上有小传感器磁钢,还有一种是直接安装在定子槽(或齿)中。2整提前导通直接安装传感器具有安装简便的优点,但是不能调整提前导通或者延迟导通。因此,电机反电势设计必须很准确,并且应当对电机和控制器进行系统仿真计算,否则有可能达不到额定转速或额定功率。2.1传感器间的垂直度BLDCM经常采用整距集中绕组。这种情况下,霍尔传感器比较容易安装。对于三相电机来说,每相之间相差120°电角,而每槽之间正好是60°电角。也就是说,霍尔传感器之间应相差2个槽距(或6n+2个槽距)。出于BLDCM控制的需要,往往要求A相的霍尔传感器安装在A相反电势波形的30°电角位置上。此时可以将A相传感器安装在与A相槽之后的那个齿的中心线上,其他则依次相隔2个齿。通常霍尔传感器安装在定子铁心的引出线端(非驱动端)。定子冲片的设计应当考虑这些传感器的安装。值得注意的是,为了防止由于端部效应导致端部磁场不足,可以把安装霍尔传感器的那一端转子上的磁钢加长(通常为一个气隙长度)。2.2合成反电势的位置有时,BLDCM采用短距绕组、分布绕组或分数槽绕组。这时,霍尔位置传感器的安装就稍微复杂一些。具体步骤如下:首先,根据每相相差120°电角和槽间角来确定三相霍尔之间的间距,即:其中:Ns为两相霍尔之间的槽间距;α为每槽距所占的电角度。注意,n=1,2,3……,为自然数,选择n应使得Ns为整数。然后,计算A相合成反电势的相位角,以得到30°电角位置,作为A相霍尔安装的位置。下面举例说明。假设一台电机8极,9槽。A相绕组分别在第1、2、3、9槽中。见图1。第一步,计算每两相霍尔传感器之间的间距。其中,2p为极数,这里2p=8;Z1为槽数,这里Z1=9。选择n=1是为了保证Ns为整数。可见,每两相霍尔信号之间相差3槽。第二步,计算A相霍尔的位置,即A相绕组相位角为30°电角的位置。假定第1槽的左边的齿中心线为0°电角,则1、2、3、9槽的电角分别为80°、240°、400°(40°)、1360°(280°)。则合成反电势为:容易求得,合成反电势的电角度为20°。可见30°电角度的位置在第1个齿偏右边2×(30-20)/8=2.5°机械角的位置。值得一提的是这种方法顺便计算了绕组系数为2.3u3000bcdm的磁场设计BLDCM的性能类似于恒定励磁的直流电机,其输入电压、电阻以及转速之间存在严格的关系。众所周知,直流电动机的反电势应当小于外部输入电压,其差值用于克服电阻压降。但是,与一般直流电机不同的是,直流电机每次参与换向的是相邻两个碳刷之间的绕组,而BLDCM参与换向的是一相绕组。因此确切地说,三相BLDCM的性能类似于恒定励磁的三相换向器直流电机。因此在换向时刻,电机的相绕组电感会抑制相电流的上升,导致相电流不能在短时间内上升到额定值,其结果是电机实际上没有导通120°电角。为了解决这个问题,BLDCM在设计中必须考虑反电势与外部输入电压之差要大于普通直流电机,以克服电感对相电流波形的影响。一般来说,差值越大,电流上升越快,越能接近120°电角导通,但是电机的电压利用率也越低。由于直接安装霍尔传感器的BLDCM无法通过软件调整导通时间,因此设计中反电势计算需要相当准确。永磁电机的漏磁场分析比较困难,简化磁路计算很难满足精度要求。ANSYS、ANSOFT等磁场分析软件有助于实现反电势的精确计算。比较稳妥的方法是将电机的反电势设计稍大一点,但是保留磁钢轴向长度减少、气隙增大等手段以减少反电势,最后通过试验来进行调整。3传感器的旋转调整单独安装霍尔传感器的方法有很多,但是原理相同。其定子(霍尔传感器)按照电角度为120°进行分布,一般做成印制板;转子(磁钢)极数与电机的极数相等。传感器定子印制板可以旋转调整,通过电机盘车测量反电势确定传感器初始角的位置。当电机的反电势比较高时,有可能在额定输入直流电压下电机达不到额定转速,这时可以调整传感器初始角的位置提前导通,从而达到类似直流电机移碳刷的效果。因此单独安装霍尔传感器虽然比较麻烦,但是其灵活性要高一些。不过,过高的反电势没有带来好处,反而会导致磁钢使用增加(成本增加)、铁耗增加等缺点。因此,