【第4集】③ 关于无刷电机的绕组电流和感应电压产生的原理

我们已经通过上一篇中的无刷电机驱动实际信号波形解决了第一个疑问——①的U电流。

“U电流”是绕组电流。要了解该波形,首先需要了解绕组电流和感应电压,因此我们将分以下四项依次进行解说。

无刷电机的绕组电流

流过电机绕组的电流是决定绕组磁场大小、乃至转矩大小的重要因素。因此,我们需要充分理解电流是如何决定这些参数的。本文将使用“无刷电机时序图的绘制方法”中给出的120度激励电流波形进行解说。

120度激励的电流将以360度的电角度(1个电周期)切换6次。具体而言,比如在下图中,从U相流向V相的电流体现为“从U相切换为W相”,这样的动作执行6次。

img_vol4-3_01

在这样的切换过程中,流动的电流会暂时下降后再恢复。另外,当电流在其他相流动时(例如电流从V相流向W相时的U相),U相电流不会流动,因此电流值会变为零。在负电流侧也是如此。

这就是120度激励的电流波形会呈现图中所示波形的一个原因,不过还有一部分是用这个原因解释不了的。例如,在图中的“U⇒V”范围内,曾经变大的电流在短暂减小后再次变大。为什么会出现这样的波形呢?

为了便于解说,我们先来温习一下线圈电流相关的理论知识。理想的线圈是用电感来表示的,但实际上里面含有有电阻值,因此在电路中可用下图的形式来体现。在这个电路中,当施加了电压时,电流波形应该是如图所示的波形,电流不会短暂减少。

img_vol4-3_02

实际上,可以说形成这种增减状态的电流波形的主要原因,正是使无刷电机的控制难度增加的因素之一。其主要原因是线圈的发电。

此前我们也提到过,电机是将电能转换为机械能的一种设备,对于使用永磁体的电机而言,只要利用外力使之旋转就可以将机械能转换为电能,也就是所谓的“发电机”。而且,这种发电现象不仅发生在借助外力旋转时,其实也发生在“自转时”。这种由永磁体和线圈产生的发电电压被称为“感应电动势”、“反电动势”、“感应电压等,有时也被表述为“BEMF(ack electromotive force)”。在这里我们将其称为“感应电压”。

这种感应电压是绕组电流增减的主要原因。

无刷电机感应电压产生的原理

无刷电机是通过转子转动而在线圈(绕组)上产生感应电压的。这种感应电压会对电机的特性产生不同程度的影响,因此与“绕组电流”一样,我们也需要了解这种感应电压。

首先,请回忆一下在学校物理等课程中学过的“电磁感应”。线圈试图阻止磁场(磁通量)发生变化。例如,如下图所示,随着N接近线圈,通过线圈的磁通量会逐渐增加,因此线圈电流沿着产生与之排斥的磁场的方向流动。该电流使得线圈两端产生电压。相反,随着N远离线圈,线圈试图维持磁场的方向,因此在靠近时会产生反向的电流和电压。这种产生电压的现象叫做“电磁感应”。此时的电流被称为“感应电流”,电压除了这里使用的“感应电压”外,还被称为“感应电动势”、“反电动势”等。

img_vol4-3_03

*图中磁体磁场的箭头表示磁场大小的变化。实际上线圈内并不会发生像图中那样大小的不均匀。

对于无刷电机而言,与其说磁体靠近或远离,不如说通过线圈的磁通量会因转子的旋转而变化,因而产生与其变化量相应的感应电压(上图右侧)。

在考虑通过线圈(齿槽)的磁通量变化量时,需要知道“在不同的位置转子表面的磁通量大小不同”这一点。有的转子磁通密度基本均匀,也有的转子如下图所示,磁通密度大小在圆周方向呈正弦波状分布。后者这种转子有“正弦波着磁转子”等称呼。在这种着磁的情况下,当转子旋转时,就会发生如上图右侧所示的磁通量变化。

img_vol4-3_04

无刷电机的感应电压波形

无刷电机的感应电压是通过线圈的磁通量变化作为电压体现出来了。这里所说的“通过线圈的磁通量”是指进入绕线齿槽的磁通量。

我们先来谈谈这个“进入齿槽的磁通量”。电机磁体和线圈的位置关系如下图所示。也就是说,可以认为每个齿槽中会通过与该齿槽相对的磁体的磁通量。

img_vol4-3_05

接下来我们以图中所示的表面磁通量(两种模式)为例,来思考进入齿槽的磁通量。

该图用转子旋转一圈(360度)的细分图来表示图上方的结构图所示的“表面磁通量显示点”的位置对面的转子表面磁通量的大小。另外,还计算了进入齿槽的总磁通量,同样是按照360度计算的。该总磁通量是通过将齿槽相对的磁体的磁通量(图中的“进入齿槽的磁通量范围”)相加计算得出的。也就是说,当转子旋转、位置改变时,磁通量就会发生变化。

例如,在0度的转子位置上,齿槽对面的磁极由于N和S等量,因此齿槽磁通量为零;在90度的位置上,与N的中心相对,因此齿槽磁通量最大。如果按360度计算,那么在正弦波着磁的情况下,齿槽磁通量(总磁通量)也是正弦波的。

而且,这种齿槽磁通量的变化(微分)会成为感应电压(微分时符号要加负号)。也就是可以理解为,相位与对面的表面磁通相差90度。

着磁波形大致可以分为正弦波、矩形波和梯形波。第二个例子是梯形波着磁的情况。顺便提一下,前面提到的矩形波与这里的梯形波的区别在于N和S的切换梯度,但并没有明确的定义。通常把坡度比较平缓的称为“梯形波”。

在梯形波的情况下,进入齿槽的磁通量波形不再是正弦波波形。用微分计算得出的感应电压波形也是图中所示的形状。关于梯形波着磁的感应电压,应该注意的是着磁波形与感应电压波形的特点存在明显不同。例如,梯形波着磁尽管表面磁通的N和S变化部分的斜率比正弦波着磁更陡峭,但其感应电压的正负变化部分(过零点)要比正弦波着磁更平缓。

感应电压波形的不同会影响各种电机特性和控制特性(后续会具体介绍)。然而,由于不同类型电机的感应电压形状也各不相同,而且与着磁波形也不一致(正弦波除外),因此很难把握。作为电机控制的第一步,要有意识地确认要控制的电机的感应电压波形是什么样的波形,这一点非常重要。

在下一篇中,我们将探讨“无刷电机的特性 其1”的最后一项——感应电压对绕组电流的影响。

本文的关键要点

・流过电机绕组的电流是决定绕组磁场大小≒转矩大小的重要因素。

・流过线间(例:U相→V相)的电流,理论上应该表现为单纯地流过或不流过的状态,但在实际波形中,会表现为短暂增加的电流在短暂减小后再次增加的状态。

・这是因为组成无刷电机的线圈和永磁体(转子)起到了发电作用,有时将这种情况称为“感应电动势”、“反电动势”、“感应电压”等,也有时会表述为“BEMF(back electromotive force)”。

・在这里称为“感应电压”。

・无刷电机是通过转子转动而在线圈(绕组)上产生感应电压的,感应电压会对电机的特性产生各种影响,因此需要了解相关知识。

・因线圈与永磁体的位置关系而产生电流、电压的现象称为“电磁感应”;此时的电流称为“感应电流”;此时的电压称为“感应电压”,除此之外还被称为“感应电动势”、“反电动势”等。

・在考虑通过线圈(齿槽)的磁通量变化量时,需要知道“在不同的位置转子表面的磁通量大小不同”这一点。

・有的转子磁通密度基本均匀(均匀着磁、矩形波着磁),也有的转子磁通密度大小在圆周方向呈正弦波状分布(正弦波着磁)。

・电机的感应电压是通过线圈的磁通量变化作为电压体现出来的,在无刷电机的情况下,相当于进入绕线齿槽的磁通量变化。

・这种齿槽磁通量变化(微分)会表现为感应电压。

・在正弦波着磁的情况下,齿槽磁通量(总磁通量)也是正弦波的;在梯形波着磁的情况下则不再是正弦波的,感应电压波形明显不同。

・作为控制电机的第一步,要了解所控制电机的感应电压波形,这一点非常重要。

下一页面:与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流

【第4集】② 与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流

仿真结果显示工具:Wavebox

相关文章

  1. 【第7集】② 正弦波驱动的转矩脉动、正弦电流的时序和相位变化、超前角控制(超前角调整)、正弦波驱动的…

  2. 【第7集】任重道远!一濑和小伙伴们的电机驱动器课堂

  3. title

    【第6集】② 无刷电机的S-T特性和I-T特性、规格变更和特性变化

  4. title

    【第6集】考场争锋!一瀬和二宫的全力较量!

  5. sugiken_vol5_thumb

    【第5集】② 无刷电机:绕组引脚OFF期间的波形、续流二极管和电源电流

  6. sugiken_vol5_thumb

    【第5集】热血沸腾!二宫给一濑的感觉?

  7. sugiken_vol4_thumb

    【第4集】② 与无刷电机的感应电压波形息息相关的绕组电流

  8. sugiken_vol4_thumb

    【第4集】 急速靠近 !?两个人的新交集

基础知识

EMC


TECH INFO

  • Sugiken老师的电机驱动器课堂
  • 重点必看
  • 技术分享
  • Arduino入门指南
  • Raspberry Pi初学者指南
  • 技术动态

PICK UP!

PAGE TOP