如前所述,电枢反应的影响使合成气隙磁场的过零点超前于原永磁磁场的过零点一个角度,这个超前角的大小随着负载电流的增大而增大。电枢反应磁动势使最佳换向点前移。由图8-2可以看出,合成气隙磁通密度分布过零点产生了前移。这样,按空载时对称磁场决定的换相位置已不适合负载运行。如果检测到的反电动势相对于空载反电动势的相移过大而控制电路又没有采取移相措施,将影响电机的出力及控制性能。
有文献用磁路分析方法分析了一台转子为表贴式磁钢结构的无刷直流电机电枢反应对换相电动势相位的影响,并用实验进行了验证。电机转速为3000r/min和6000r/min时对应的电枢反应引起的检测电动势相移分别为11.61和11.05°[8]。
在大多数无刷直流电机中,为了检测转子磁极相对于定子绕组的位置,在电机非负载轴端安装一个小定子与一个小永磁转子,作为转子位置传感器。位置传感器定子固定在电机端盖上,在位置传感器定子内圆上互隔120°(电角度)安装三个霍尔元件。而小转子同心安装在电机转子轴上,同主转子一起旋转。小转子表面圆周上装有同电机主转子相同极数的永磁体,并在安装时它的磁轴线与电机主转子的磁轴线对齐,这样小转子的磁极位置就直接反映了电机转子的磁极位置并在霍尔元件上感应出相应的状态信号。考虑到电枢反应磁动势使最佳换向点前移,严格来说,这种传感器已经不能够满足要求。
在有刷电机中,削弱电枢反应、改善换向条件的主要方法有:设置换向极对电枢反应进行补偿或采用移动电刷方法。因永磁电机的结构和驱动方式的限制,在有刷直流伺服电动机中装置换向极已不可能,因此只能采用类似于移动电刷的方法削弱电枢反应。移动电刷的本质在于超前换向。对于无刷直流电机也就是要让绕组换相时刻提前,从而达到削弱电枢反应的目的。对无刷直流电机而言,逆着旋转方向移动“电刷”,即提前换相可以削弱电枢反应不良影响。
参考文献[7]对两个电机进行试验研究。一台30kW,额定转速3000r/min,内置式磁钢的6极电机,进行空载和负载电流测试,发现负载电流发生严重的畸变,转速下降,输出功率只有18kW,远达不到原设计指标,说明电枢反应影响非常显著。将位置传感器定子(及霍尔电路)逆旋转方向移动约20°电角度后,额定负载时的电流波形畸变消失,实测结果完全达到设计指标。但此时的空载电流波形却非常糟糕,且空载电流远远大于按空载整定最佳换向位置时的数值。另一台5.5kW,额定转速1000r/min,磁片表面安装的6极电机,同样进行空载和负载电流测试,并没有发现负载电流发生明显畸变,可以认为电枢反应作用不明显,最佳换相位置没有受到明显影响。(www.daowen.com)
这个实验同时也显示出转子磁路结构对电枢反应影响的决定性作用。
参考文献[9]建立了1台用于航空起动发电系统地面实验的30kW切向磁钢6极无刷直流电机的有限元仿真模型。实验电机系统工作在120°电角度导通方式时,利用有限元模型研究了电枢反应对电机气隙磁场和最佳换相位置的影响,研究了实验电机电磁转矩及其脉动随电枢电流变化的情况。理论与仿真结果表明:电机通入电枢电流后,最佳换相位置发生变化。当负载电流到500A时最佳换向位置偏移了5.4°电角度。如果还是按空载时设定的换相位置工作,电机的转矩将会降低,转矩波动将会增大。所以不能忽略电枢反应对最佳换相位置的影响,需要对换相位置角进行调整来适应电枢电流的变化,以获得最大输出转矩和较优的转矩脉动性能。
由于这个提前换相的超前角与负载大小有关,为此,有必要随着负载电流变化调整控制器的最佳换相点。例如,采用对气隙磁通而不是按转子永磁体进行直接或间接的检测来控制最佳换相位置,或用软件的方法进行最佳换相的自适应控制等。
当前,在许多应用领域,无刷电机无位置传感器控制由于结构紧凑的优点得到了越来越多的重视和研究。反电动势换相的无刷直流电机利用反电动势作为转子位置信号控制电机的驱动电路换相。电机在空载时,定子电流比较小,反电动势信号能准确地反映电机的转子位置。但是当电机带载运行时,绕组电流产生电枢反应,这时检测到的反电动势不单是转子永磁体磁场运动产生的,而是由定、转子磁动势共同作用的结果,电枢反应必然会对反电动势过零点相位产生影响,需要适当调整。
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