非桥式M相无刷直流电动机最佳导通角分析

时间：2023-06-15 理论教育 版权反馈

【摘要】：表3-26 三相无刷直流电动机导通角α与最高效率ηmax此外，随着导通角的增大，电流的波动明显增大，图3-11是180°时电流波动的示波图。对于较大功率的三相无刷直流电动机，为了得到较好的技术指标，应当采用逻辑电路来处理位置传感器的信号，以便得到最佳导通角120°。图3-12给出的是半桥式三相无刷直流电动机最佳导通角逻辑电路。

非桥式M相无刷直流电动机最佳导通角分析

其次，我们以非桥式m相无刷直流电动机为例，讨论增大每相绕组导通角来提高绕组利用率的问题。

在单向通电的非桥式换相电路中，它具有换相开关少、电路简单、成本低以及可靠性高的特点，这种换相方式（例如m=3或4）特别是在小功率无刷直流电机中得到应用。如果每相绕组依平均导通角2π/m（电角度，下同）工作，在任一时刻，仅有一相在工作，绕组利用率只有1/m。人们自然从直观出发，提高每相导通角，这样在任一时间，都会有多于一相以上的绕组在工作，它的绕组利用率提高了[3-5]。这种增大导通角以提高绕组利用率想法，是否果真能提高电机的出力和效率呢？让我们进一步分析，下面利用简化模型等效电路，讨论每相导通角变化对机械特性的影响，然后分析应用到三相和四相绕组两种常用情况。

在m相非桥式换相电路运行时，每相绕组依次通电工作，为了避免死点和负转矩的产生，每相绕组的导通角α应满足下面的条件：

允许的最小导通角α_min=2π/m。

对于任意一相绕组，在该相导通角区间内，仿照4.1节简化模型的分析方法，设它的等效电路是等效反电动势E和等效电阻R的串联，反电动势系数为K。再设反电动势波形函数为f（α）=cosα，状态角为α。考虑到m相绕组的共同作用，可以得到平均电流I_av和平均转矩T_av为

在Ω=0时，计算堵转状态下的堵转电磁转矩T_s为

在理想空载点，T_av=0，由T_av表达式，得到空载转速Ω₀为

由I_av表达式，可得理想空载时的平均电流不为零，它的值是

我们用粘性阻尼系数D来表征电机机械特性的硬度，有

为对比方便起见，取标幺值表示。对于Ω₀和D取α=α_min时的值为基值，分别以Ω_0b和D_b表示。而理想空载时的平均电流取I_s为基值。这样它们的标幺值表示为

至此，我们得到m相无刷直流电机的几个有关的公式。下面，考察一下在三相和四相无刷直流电动机，其导通角在规定的范围内变化时，它的Ω₀、I_av0和D的变化情况。

对于三相电机，以m=3、α_min=2π/3代入上面有关各式，得到α=2π/3～π的计算结果，见表3-25。

表3-25 半桥式三相无刷直流电动机不同导通角的性能的变化

(www.daowen.com)

由表3-25可以清楚地看出，对于三相无刷直流电动机，随着导通角α从120°增大到180°，空载转速Ω₀和阻尼系数D只稍有增加，但是理想空载时的平均电流却大大增加了。增大的倍数是0.284/0.032=8.84倍。在180°时理想空载平均电流竟达到一相堵转电流的0.284倍。从而使电机的效率大大下降了。

图3-10是某三相绕组无刷直流电动机，导通角α分别为120°、135°和180°时实测的机械特性曲线，图中给出转矩-转速和转矩-电流特性。它进一步证实上述分析的结果。从图可见，空载电流在180°时明显增大了。由实验数据，进一步计算得到这三种情况下的最高效率η_max^见表3-26。

表3-26 三相无刷直流电动机导通角α与最高效率η_max

此外，随着导通角的增大，电流的波动明显增大，图3-11是180°时电流波动的示波图。电流的波动自然引起转矩波动的明显增加。

对于较大功率的三相无刷直流电动机，为了得到较好的技术指标，应当采用逻辑电路来处理位置传感器的信号，以便得到最佳导通角120°。尽管其绕组利用率仅为1/3。

上述理论分析和试验结果均表明，增大每相导通角的方法是不可取的，最佳导通角是不发生死点的最小导通角α_min=2π/m。但在实际电机设计中，由于工艺分散性及考虑到温度、电源电压变化等因素，很难准确满足最佳导通角条件。可以采用逻辑门信号处理方法，获得每相导通角α_min的最佳工作状态。图3-12给出的是半桥式三相无刷直流电动机最佳导通角逻辑电路。输入X、Y、Z是由三相转子位置传感器来的信号，它的导通角大于120°，经逻辑处理后的三相信号A、B、C用来驱动换相开关，每相导通角变为120°。它们满足下面的关系式：