永磁直流電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是如何產(chǎn)生的？在線等

【專家解說】：通電導(dǎo)體在磁場中會產(chǎn)生力的作用(電磁力),運(yùn)動方向附合左手定律基本原理　　永磁無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品?！　?. 電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等等　　主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調(diào)制波的對稱交變矩形波?！　∮来朋wN-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波... 　　基本原理
　　永磁無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
　　1. 電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等等
　　主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調(diào)制波的對稱交變矩形波。
　　永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(dāng)于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn)60°電角度，如此循環(huán)，永磁直流電機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)橛来胖绷麟姍C(jī)的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強(qiáng)制換向的，所以也稱作自控式同步電動機(jī)。
　　2. 永磁無刷直流電機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機(jī)在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。
　　由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，與他勵直流電動機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性一樣。
　　電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流：
　　Tm=KtIav (N·m)
　　電動機(jī)兩相繞組反電勢的差正比于電動機(jī)的角速度：
　　ELL=Keω (V)
　　所以電動機(jī)繞組中的平均電流為：
　　Iav=(Vm-ELL)/2Ra (A)
　　其中，Vm=δ·VDC是加在電動機(jī)線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調(diào)制波的占空比，Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：
　　Tm=δ·(VDC·Kt/2Ra)-Kt·(Keω/2Ra)
　　Kt、Ke是電動機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動機(jī)的角速度(rad/s)，所以，在一定的ω時，改變占空比δ，就可以線性地改變電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵直流電動機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。
　　永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc(max)ón max，那么，+5V以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。
　　當(dāng)Vc設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會變大，電樞電流變大，使電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止;反之，如果電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時，δ減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，永磁直流電機(jī)在允許的電網(wǎng)波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。
　　由于永磁無刷直流電機(jī)的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流;由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機(jī)高10%左右，一般來說，永磁直流電機(jī)的力能指針(ηcosθ)比同容量三相異步電動機(jī)高12%-20%。
　　3. 由于永磁無刷直流電機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電動機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。
　　中小容量的永磁無刷直流電機(jī)的永磁體，多采用高磁能積的稀土釹鐵硼(Nd-Fe-B)材料。因此，稀土永磁無刷電動機(jī)的體積比同容量三相異步電動機(jī)縮小了一個機(jī)座號。
　　近三十年來針對異步電動機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，而永磁直流電機(jī)的電流或電樞的端電壓，就是直接控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的物理量。過去，由于稀土永磁體價格比較高等因素，限制了稀土永磁永磁直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列永磁直流電機(jī)的售價已與異步電動機(jī)和普通變頻器售價之和相差無幾。稀土永磁永磁直流電機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。
　　根據(jù)所用的永磁材料不同，永磁無刷直流電動機(jī)分為鋁鎳鈷永磁直流電動機(jī)、鐵氧體永磁直流電動機(jī)和稀土永磁直流電動機(jī)。鋁鎳鈷永磁無刷直流電動機(jī)需要消耗大量的貴重金屬、價格較高，但對高溫的適應(yīng)性好，用于環(huán)境溫度較高或?qū)﹄妱訖C(jī)的溫度穩(wěn)定性要求較高的場合。鐵氧體永磁無刷直流電動機(jī)以廉價見長，且性能良好，廣泛用于家用電器、汽車、玩具、電動工具等領(lǐng)域。用稀土永磁材料作磁極制的稀土永磁無刷直流電動機(jī)，體積小且性能更好，但價格昂貴，主要用于航天、計算機(jī)、井下儀器等。但近些年出現(xiàn)了新一代稀土永磁直流電動機(jī)—釹鐵硼永磁無刷直流電動機(jī)，由于我國擁有世界80%以上蘊(yùn)藏量的釹礦資源，因此在價格上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，高性能釹鐵硼永磁材料性價比大幅提升，使質(zhì)優(yōu)、價廉的釹鐵硼永磁直流電動機(jī)在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，同時也促進(jìn)永磁無刷直流電動機(jī)的性能與結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展。 展開