中图分类号:T M36+1 文献标志码:A 文章编号:100126848(2009)0320036203三槽无刷直流电动机吕学文,吕瑰丽,范 瑜(北京交通大学电气工程学院,北京 100044)摘 要:介绍了分数槽无刷直流电动机的优点,分析了三槽无刷直流电动机的特点、结构、控制系统与工作原理和控制方法等。
实验结果表明,系统的硬件及控制策略设计合理,具有良好的运行性能。
关键词:无刷直流电机;反电势法;实验Three 2teeth Slotted Brushless D i rect Curren tM otorLV Xue 2wen,LV Gui 2li,F AN Yu(Electrical Engineering School of Beijing J iaot ong University,Beijing 100044,China )Abstract:The advantage of fracti onal sl otted brushless direct current mot or (BLDC Mot or )was intr o 2duced .Characters of three 2teeth sl otted BLDC mot or were analyzed .The structure,operati on p rinci p leand contr ol strategy of contr ol syste m were researched .It was shown that the hardware and contr ol strate 2gy of this syste m were reas onable and good running perf or mance .Key W ords:B rushless DC mot or;Back E MF method;Ex peri m ent收稿日期:20082032050 引 言无刷直流电动机(BLDC M )既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的特点,故在当今国民经济的诸多领域,如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。
在有些领域,如家用小电器、电动玩具等,出于成本和制造工艺的考虑,希望所用电机越简单越好,因此三槽直流电机曾经风靡一时,但是由于传统的直流电机都采用电刷机械方法换向,因此会产生火花和电磁干扰,使电机寿命短,限制了其应用。
文献[1]中提及的三槽无刷直流电机的方案给人们很大启发。
三槽无刷直流电机既具备三槽直流电机的结构简单和制造方便的特点,又可以避免其机械换向产生的火花、电磁干扰等缺点,改善了其性能,扩大了其应用领域。
1 分数槽电机设电机总槽数为z ,极对数为p ,相数为m ,则每极每相槽数为:q =z2m p(1)q 为整数,则为整数槽绕组;q 为分数,则为分数槽绕组。
本文所讨论的三槽无刷直流电机中,z =3,p =1,m =3,则:q =z 2m p =32×3×1=12(2)故三槽无刷直流电机属于分数槽电机的一种。
采用分数槽的主要优点是:(1)电枢冲片的齿槽数减少,便于电枢冲片和铁心的制作;(2)每个齿上绕制一个集中线圈,从而可采用自动绕线机绕制,可以显著地提高劳动生产率,降低电动机的制造成本;(3)能显著地缩短电枢线圈的端部长度,节省铜材,并减小电枢漏抗,增加电动机的出力,提高灵敏度和效率;(4)减小齿槽效应引起的转矩脉动[2]。
2 三槽无刷直流电动机211 电机本体有的应用场合,如剃须刀、录音机、小玩具、内置式血泵等,主要从电机的的体积和电磁功率两个方面去考虑电机本体的设计。
从无刷直流电机的设计角度来讲,在电磁负荷一定时,电动机的体积随电动机电磁功率的增加而增加,随电动・63・微电机2009年第42卷第3期机转速的增加而减少。
输出同一功率时,电动机体积与额定转矩的大小成正比,也就是说当电动机转速越低(即额定转矩越大),电动机的体积也越大,反之,转速越高(即额定转矩越小),则体积也越小。
而对于同一功率和同一转速的电动机,电动机的电磁负荷取得越高,则电动机的主要尺寸越小,材料越省[3]。
电磁负荷指电动机的电负荷A 和磁负荷B 。
电负荷A 的提高表示电枢槽内导线的增加,磁负荷B 的提高表示通过定子齿部磁能的增加,这些将分别引起定子槽面积和齿截面的不够。
通常情况下,6槽是无刷直流电机中槽数最少的情况,但是鉴于应用场合的特殊性,还可以进一步减少齿槽数为3槽。
由于减少了齿数,所余下的空间可作为槽来安放绕组,于是就可以增加电负荷,从而增加电机的功率。
反过来说,在相同的功率下,采用三槽可以进一步减少电机的体积。
选用较高的磁负荷B 后,将增加定子铁心的饱和程度,特别是高速时定子齿中的饱和更为强烈,限制了功率密度的进一步提高;同时由于单位体积的铁耗近似与磁感应强度的平方成正比,导致电机的铁耗增加,效率降低,也使电机的温升增高。
将电机定子改为三槽的设计,可以解决这些问题。
所设计的三槽无刷直流电机的示意图如图1所示。
其中图(a )是直接在齿上绕一个集中绕组。
这种方式可以用机绕,特点是加工方便,但是对电机来说,转矩脉动相对较大一些。
图(b )是两个齿上绕一个绕组。
这种方式转矩脉动相对较小,但是加工不方便。
本文所制作的三槽无刷直流电机的样机采用的是图(a )所示的方案,转子采用烧结钕铁硼制作,定子采用铁氧体制作,定子外径35mm ,内径14mm ,齿高415mm ,齿宽8mm ,每相导体数80,转子铁心有效长度14mm ,电负荷为68124A /c m ,磁负荷为112T,定子三相Y 型联接。
样机的定子部分实物图及尺寸对比图如图2所示。
图1 三槽无刷直流电机示意图图2 三槽无刷直流电机定子212 电机驱动因为所设计的三槽无刷直流电机的体积要尽量小,不宜采用机械转子位置传感器,故采用基于反电势的无传感器的控制方案。
最常见的两相导通星形三相六状态工作方式,除了换向瞬间外,在任意时刻,电机总有一相处于断电状态。
由图3可见,当断电相绕组的反电势(E a 、E b 、E c )过零点之后,再经过30°电角度,就是该相相电流(i a 、i b 、i c )的换相点。
因此,只要检测出各相绕组反电势的过零点,就可以确定电机的转子位置和下次换流的时间。
图3 理想情况下三相反电势与相电流波形检测过零点是基于端电压的方法。
这种方法中电路是通过检测三相绕组输出端对电源负极的电压来检测反电势过零点的。
其反电势方程为:e a =u a0-13(u a0+u b0+u c0)e b =u b0-13(u a0+u b0+u c0)e c =u c0-13(u a0+u b0+u c0)(4)在实际检测电路中,需要将端电压u a0、u b0、u c0分压后,经滤波得到检测信号U a0、U b0、U c0,其主电路和检测电路如图4所示。
本系统采用T MS320LF2407A 进行控制。
检测到的反电势送到DSP 控制器的ADC 模块,经相应的算法计算后判断是否过零点,并由EV 模块的P WM 引脚输出一定频率的P WM 波形,控制各开关管的通断,从而对电机进行调速控制。
无刷直流电机驱动电路框图如图5所示。
・73・三槽无刷直流电动机 吕学文,等反电势法下无刷直流电机的起动比较特殊,主要原因是当电机在静止或者是低速运行时,反电势为零或者太小,因而无法利用。
过去一般采用专门的启动电路,使电机以他控变频方式启动,当电机具有一定的初速度和电动势后,再切换到自然变频状态。
在采用DSP 控制后,可以通过编程实现:先使某相通电一段时间间隔,然后再换一相通电一段时间间隔,经过两次定位后,电机转子的位置便到达了指定相所在位置了(这种定位方法称为两步定位法),然后开始启动,在采样得到的反电动势低于某数值时,输出P WM 波形的频率按一定加速度逐渐加速,当反电动势达到一定值时,切换到P WM 的计算函数即可。
这个过程称为三段式启动,包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。
3 实验结果A 相相电流波形如图6所示。
B 、C 两相的电流波形与之相似,相位相差120°电角度。
每相电流在平顶中部会有一小段尖峰,这是因为其他相正在换向。
由于电机绕组电感的存在,而换向时电感两端的电压是不同的,这样导致电流上升相和电流下降相的变化有快有慢,从而会产生尖峰。
这个尖峰会造成一定的转矩脉动,称为换向转矩脉动。
所得到的电机端电压波形如图7所示。
三槽无刷直流电机理论上的转矩脉动应该与六槽的相同。
本文中由于实验样机的制作工艺及所选的电机定子绕组方案的原因,转矩脉动相对较大,这是可以通过提高加工精度和改变绕组方案加以改善的。
从实验结果上看,三槽无刷直流电机及其控制系统可以稳定运行,但三槽无刷直流电机的加工工艺还有待于进一步提高。
4 结 论本文在考虑分数槽无刷直流电机的优点基础上,进一步缩减无刷直流电机的齿槽数,研究了三槽无刷直流电机的特点,并探讨了两种方案的优缺点,制作了其中一种的样机及其驱动控制电路并进行了相关实验。
本系统采用基于DSP 的无位置传感器控制方式驱动电路具有简单、可靠、启动方便的优点,而三齿槽无刷直流电机体积较小、制作简单、成本较低,所以本系统对实际的产品设计具有一定的指导意义。
三槽无刷直流电机具有广阔的应用前景,但同时也有一些加工工艺方面的问题仍需深入研究。
参考文献[1] Nicola Bianchi,Silveri o Bol ognani,Fabi o Luise .High S peed DriveUsing a Sl otless P M Mot or [J ].Po wer Electr onics,I EEE Transac 2ti ons on Volu me 21,Issue 4,July 2006Page (s ):108321090.[2] 叶金虎.无刷直流电机的设计(I V )[J ].微特电机,2005,(4):44245.[3] 张琛.直流无刷电动机原理及应用(第2版)[M ].北京:机械工业出版社,2004.作者简介:吕学文(1982-),男,硕士研究生,从事无刷直流电机及其控制方面的研究。
・83・微电机2009年第42卷第3期。