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無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及處理方法
內(nèi)容簡(jiǎn)介:造成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因很多,主要可以分為以下五個(gè)方面:1.電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。2.電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。3.齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。4.電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。5.機(jī)械加工引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速,調(diào)速控制方便。可靠性高,因此它的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)固有的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題卻一直限制著其在高精度系統(tǒng)中的應(yīng)用。對(duì)于高精度系統(tǒng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是衡量無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此,分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)形成的原因。研究消除或抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法具有十分重要的意義。 
    造成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因很多,主要可以分為以下五個(gè)方面: 
    1.電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 
    這是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).它與電流波形、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形、氣隙磁通密度的分布有著直接關(guān)系。理想情況下,定子電流為方波,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波,平頂寬度為120°電角度,電磁轉(zhuǎn)矩為恒值。而實(shí)際電機(jī)中.由于設(shè)計(jì)和制造方面的原因.很難保持感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波,或者平頂寬度不是120°電角度:或者由于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和控制系統(tǒng)精度不夠而造成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電流不能保持嚴(yán)格同步;或者電流波形偏離方波,只能近似地按梯形波變化等。這些因素的存在都會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。抑制電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法有優(yōu)化設(shè)計(jì)法、最佳開(kāi)通角法、諧波消去法、轉(zhuǎn)矩反饋法等。 
    (1)優(yōu)化設(shè)計(jì)法。對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀對(duì)輸出電磁轉(zhuǎn)矩都有很大的影啊。當(dāng)氣隙磁通密度呈方波分布時(shí),即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為理想的梯形波時(shí),極弧寬度增加.則電磁轉(zhuǎn)矩增加,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減。划(dāng)極弧寬度達(dá)到π時(shí),電機(jī)功率最大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為零。據(jù)此,可以通過(guò)選擇合理的無(wú)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的電機(jī)磁極和極弧的設(shè)計(jì)方案,改變磁極形狀,或增加極弧寬度來(lái)有效消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 
    (2)最佳開(kāi)通角法。通過(guò)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但也有不足之處,例如:由于電機(jī)繞組的電感限制,即使電機(jī)采用恒流源供電.在換流過(guò)程中電流不能突變,流入定子繞組的電流波形也不可能是矩形波;另外.對(duì)于實(shí)際電機(jī),氣隙磁場(chǎng)很難保持理想的方波分布,繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形也并非理想的矩形,這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全從硬件設(shè)計(jì)上消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此.只能通過(guò)控制手段和策略來(lái)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如采用最佳開(kāi)通角的方法抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),即先推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與開(kāi)通角之間的函數(shù)關(guān)系式,再求取電流最優(yōu)開(kāi)通角,使電流波形和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的配合適當(dāng).從而達(dá)到削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。 
    (3)諧波消去法。由于無(wú)刷直流電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的非正弦,使得其相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩含有諧波分量,造成了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由相電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互作用而形成的?梢钥紤]通過(guò)控制電流的諧波成分來(lái)消除由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因?yàn),在理想條件下,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)同頻率的磁鏈諧波與電流諧波(三次諧波除外)相互作用可以產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩,不同次諧波之間是不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的。當(dāng)然,在實(shí)際情況下,由于電機(jī)的電感限制了電流的變化率,使得輸入定子繞組的電流不可能是矩形波.而往往是梯形波。而且,磁鏈波形的平頂寬度也會(huì)小于理想時(shí)的120°電角度.使得不同次數(shù)的磁鏈諧波與電流諧波之間也產(chǎn)生了一定的諧波轉(zhuǎn)矩。所以,確定最佳諧波電流的難度是很大的,這也使得諧波 
消去法的應(yīng)用受到了限制。 
    (4)轉(zhuǎn)矩反饋法。諧波消去法是一種開(kāi)環(huán)控制方法,當(dāng)存在繞組阻抗不對(duì)稱和所測(cè)電流有誤差等于擾時(shí),控制精度將會(huì)受到影響。為了克服開(kāi)環(huán)控制方法的缺點(diǎn),人們提出了從反饋角度考慮抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法,即以轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象,進(jìn)行閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩反饋法的基本原理就是.根據(jù)位置和電流信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得到轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào).再通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制器反饋給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制,從而消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但是,轉(zhuǎn)矩反饋法結(jié)構(gòu)較為繁雜,需預(yù)先確定電機(jī)參數(shù).且算法復(fù)雜.實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。 
    2.電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 
    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí).定子繞組按一定順序換流。由于各相繞組存在電感.阻礙電流的瞬時(shí)變化.每經(jīng)過(guò)一個(gè)磁狀態(tài),電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時(shí)將引起電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。抑制由電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法有電流反饋法、滯環(huán)電流法、重疊換向法、脈寬調(diào)制(PwM)斬波法等。 
    (1)電流反饋法。這種方法就是使非換向相電流保持恒定.從而使換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為零,因?yàn)榉菗Q向相電流的存在會(huì)導(dǎo)致一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。一般來(lái)說(shuō),電流反饋控制可以分為兩種形式,即直流側(cè)電流反饋控制和交流側(cè)電流反饋控制。直流側(cè)電流反饋控制的電流反饋信號(hào)由直流側(cè)取出,主要控制電流幅值。由于直流側(cè)電流反饋控制是根據(jù)流過(guò)直流電源的電流信號(hào)進(jìn)行的,因此只需要一個(gè)電流傳感器便可得到電流反饋信號(hào)。交流側(cè)電流反饋控制的電流反饋信號(hào)由交流側(cè)取出.此時(shí),根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)確定要控制的相電流,使其跟隨給定。在換向過(guò)程中,當(dāng)非換向電流未到達(dá)給定值時(shí),PwM控制不起作用;當(dāng)非換向電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)-PwM控制開(kāi)始起作用.關(guān)斷所有開(kāi)關(guān)器件.使電流值下降,直至低于設(shè)定值再閉合被關(guān)斷的開(kāi)關(guān)器件,使其值上升,依此往復(fù),即可實(shí)現(xiàn)非換向相電流的調(diào)節(jié).直至換向完成。 
    (2)滯環(huán)電流法。在常用的電流控制方法中,除了上述方法外,還有滯環(huán)電流控制法。其基本原理是。在電流環(huán)中,采用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器(Hysresis current Regulator,HcR),通過(guò)比較參考電流和實(shí)際電流,使得換向時(shí)能夠給出適合的觸發(fā)信號(hào)。實(shí)際電流的幅值和滯環(huán)寬度的大小決定了HcR控制信號(hào)的輸出。當(dāng)實(shí)際電流小于滯環(huán)寬度的下限時(shí),開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通;隨著電流的上升,達(dá)到滯環(huán)寬度的上限時(shí),開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷,使電流下降。實(shí)際電流可以是相電流,也可以是逆變器的輸入電流。滯環(huán)電流法的特點(diǎn)是:應(yīng)用簡(jiǎn)單,快速性好,具有限流能力。滯環(huán)電流控制方法可分為三種情況:由上升相電流控制的HCR.由非換向電流控制的HcR和由三相相電流獨(dú)立控制的HcR。比較用這三種方法抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)效果的實(shí)驗(yàn)證明:后兩種情況的換向轉(zhuǎn)矩特性相同.對(duì)換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有較好的抑制效果,且適用于低速。 
    (3)重疊換向法。電流反饋法、滯環(huán)電流法雖然解決了低速換向的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題,但通常在高速時(shí)效果不理想。現(xiàn)今,在高速段抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較成熟的方法是重疊換向法。其基本原理是。換向時(shí)本應(yīng)立即關(guān)斷的功率開(kāi)關(guān)器件并不是立即關(guān)斷,而是延長(zhǎng)了一個(gè)時(shí)間間隔,并將本不應(yīng)開(kāi)通的開(kāi)關(guān)器件提前導(dǎo)通。在傳統(tǒng)的重疊換向法中,重疊時(shí)間需預(yù)先確定.但選取合適的重疊時(shí)間較為困難,且不能最大限度地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 
    (4)PwM斬波法。PwM斬波法與交流側(cè)電流反饋控制法較類似,即開(kāi)關(guān)器件在斷開(kāi)前、導(dǎo)通后進(jìn)行一定頻率的斬波,控制換向過(guò)程中繞組的端電壓.使得各換向電流上升和下降的速率相等,補(bǔ)償總電流幅值的變化,抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。與重疊換向法相比,該方法具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),適合于精度要求更高的場(chǎng)合。 
    3.齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 
    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子鐵心為了安放定子繞組必然要有齒和植,由于定子齒槽的存在,引起氣隙不均勻,一個(gè)齒距內(nèi)的磁通相對(duì)集中于齒部.使氣隙磁導(dǎo)不是常數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)。氣隙磁場(chǎng)就要發(fā)生變化,產(chǎn)生齒槽力矩。齒槽力矩與轉(zhuǎn)子位置有關(guān),因而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。齒槽力矩是永磁電機(jī)的固有特性,在電機(jī)低速輕載運(yùn)行時(shí),齒槽力矩將引起明顯的轉(zhuǎn)速波動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此,如何削弱齒槽力矩是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中較為重要的目標(biāo)之一。 
    齒槽力矩產(chǎn)生的原因與前述兩種引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因不同。前述兩種引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因均在于定子電流與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用,而齒槽力矩是由定子鐵心與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的,減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最普通的方法就是定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極。另外,增大氣隙,采用分?jǐn)?shù)稽和磁性槽楔也有助于減小齒槽力矩的波動(dòng)。當(dāng)然,消除齒槽效應(yīng)最好的方法就是采用無(wú)槽電機(jī)結(jié)構(gòu)。 
    無(wú)槽電機(jī)的電樞繞組不管采用何種形式.它的厚度始終是實(shí)際氣隙的一部分,因此無(wú)槽電機(jī)的實(shí)際等效氣隙比有槽電機(jī)要大得多.所需要的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)也要大許多.這在早期限制了無(wú)槽電機(jī)的容量和發(fā)展:近年來(lái),隨著磁性材料的迅猛發(fā)展.特別是釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料的應(yīng)用,為無(wú)槽電機(jī)的實(shí)用化創(chuàng)造了條件。采用無(wú)槽結(jié)構(gòu),因?yàn)橥瑫r(shí)具有超大氣隙,除了能徹底消除齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)外,還能大幅度削弱由于電樞反應(yīng)和機(jī)械偏心而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 
    4.電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 
    電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響.稱為電樞反應(yīng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)比較復(fù)雜,根據(jù)電樞反應(yīng)的性質(zhì),電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)可分解為交軸分量和直軸分量。 
    交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)會(huì)使氣隙主磁場(chǎng)波形發(fā)生畸變.使氣隙主磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不再是空載時(shí)的方渡,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨之畸變。從而導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電樞電流的不匹配,進(jìn)而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),F(xiàn)在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)均采用高性能的稀土永磁材料,若采用瓦片形表面貼裝式,則交軸電樞反應(yīng)對(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響會(huì)很微弱。這是因?yàn)榻惠S電樞反應(yīng)磁路要經(jīng)過(guò)氣隙和永磁體[見(jiàn)圖6 8(a)],永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率是非常接近的,這就使交軸電樞反應(yīng)磁路的磁阻很大,交軸電樞反應(yīng)的磁通很。鋵(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)。 
    直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)主磁場(chǎng)先去磁、后增磁(見(jiàn)圖6—7),使負(fù)載每極總磁通在空載每極總磁通的附近變化。這樣,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩也要發(fā)生變化,但影響不大。 
    5.機(jī)械加工引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 
    機(jī)械加工和材料的不一致也是引起無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要原因之一。如電機(jī)機(jī)械加工及裝配時(shí)產(chǎn)生的尺寸和形位偏差,定子沖片各槽分布不均勻.定子內(nèi)外圓偏心.定、轉(zhuǎn)子同軸度偏差等產(chǎn)生的單邊磁拉力,軸承系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩不均勻,轉(zhuǎn)子位置傳感器定位不準(zhǔn)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).各相繞組參數(shù)不對(duì)稱及電子元器件性能參數(shù)的差異而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).磁路中各零件材料特別是永磁體性能不一致而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。因此。提高工藝加工水平也是減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要措施。 
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  過(guò)去水泥回轉(zhuǎn)窯所采用的那種調(diào)速費(fèi)用高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難的直流調(diào)速系統(tǒng)正逐漸被交流變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)所代替。
DPS在電機(jī)的技術(shù)應(yīng)用及意義。
  DSP有足夠的計(jì)算資源處理這些復(fù)雜的實(shí)時(shí)請(qǐng)求。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電力電子技術(shù)的發(fā)展使得開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)都有很高的效率,并且不需要復(fù)雜率轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組,占用空間小。
高壓電機(jī)維修之槽外電暈解決辦法
  高壓發(fā)電機(jī),線棒絕緣厚度在3~5mm之間,按上式算得的起始電暈電壓均小于kv,這個(gè)值比電機(jī)的額定電壓小很多,因此必須采取防暈措施。電機(jī)出槽的防暈措施與套管法蘭附近提窩滑閃放電電壓的措施有相似之處,這就是或者來(lái)取改善沿面電位分布或者用內(nèi)屏蔽來(lái)調(diào)正電場(chǎng)。
異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中風(fēng)機(jī)的作用。
  該風(fēng)機(jī)電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)控制運(yùn)轉(zhuǎn)后,在正常生產(chǎn)時(shí)把風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門(mén)全部打開(kāi),并根據(jù)生產(chǎn)需要,對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié),以滿足生產(chǎn)時(shí)的風(fēng)量需要。
二輪車啟動(dòng)電機(jī)開(kāi)啟轉(zhuǎn)矩的解析。
  由于起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)小,起動(dòng)電流大,電樞反應(yīng)較強(qiáng),氣隙磁場(chǎng)畸變嚴(yán)重,使得定轉(zhuǎn)子位置不同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不同,因而在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí),應(yīng)考慮上述影響,使得Tstmin大于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求,才能確保在轉(zhuǎn)子任何位置時(shí)都能起動(dòng)。
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