316直流无刷电机换向转矩脉动抑制研究
2010年5月第17卷第3期控制工程
Contr ol Engineering of China May 2010Vol .17,No .3
文章编号:167127848(2010)0320332203
收稿日期:2008210209; 收修定稿日期:2009202219 作者简介:王正仕(19652),男,浙江杭州人,副教授,博士,主要从事电机先进控制技术,高效率高密度电力电子变换器,逆变器先
进控制技术,电力电子技术在太阳能、风能等新型能源中的应用等方面的教学与科研工作。
直流无刷电机换向转矩脉动抑制研究
王正仕,张朝立,陈辉明
(浙江大学电气工程学院,浙江杭州 310027
)
摘 要:为了解决直流无刷电机换向过程中转矩脉动较大的问题,提出了一种优化的脉
冲宽度调制方法。为了分析直流无刷电机运行时脉冲宽度调制方法对电机换相转矩的影响,在理论上,从直流无刷电机方程入手,推导了直流无刷电机换相时的电磁转矩大小,分析了产生换相转矩的原因。针对使用传统脉冲宽度调制方法时电机转矩脉动较大的缺点,提出了一种新的脉冲宽度调制方法P WM 2ON 脉冲宽度调制。并从理论上证明了在直流无刷电机控制中,所提出的P WM 2ON 脉冲宽度调制方法产生的转矩脉动相比较小。在试验中使用了基于T MS320LF28016芯片的具有高可靠性与高灵敏性的DSP 控制系统,通过实验证明,所提出的脉冲宽度调制方法有效地抑制了直流无刷电机换相时的转矩脉动。关 键 词:直流无刷电机;换向转矩脉动;脉冲宽度调制中图分类号:TP 27 文献标识码:A
Reducti on of Co mmutati on T orque Ri pple in B rushless DC Mot ors
WAN G Zheng 2shi,ZHAN G Zhao 2li,CHEN Hui 2m ing
(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China )
Abstract:To reduce the influences of the commutati on t orque ri pp les in B rushless DC (BLDC ),an op ti m al P WM method is p r oposed t o analyze the P WM influences on the commutati on t orque ri pp les .Based on the p rinci p le and the BLDC mot or equati ons,the mathe 2matical derivati on of the commutati on t orque ri pp les is given .
To the main p r oble m of t orque ri pp les in brushless DC mot or,a ne w
P WM method (P WM 2on )is p r oposed and p r oved t o be efficient in reducing the t orque ri pp le in theory .Based on the efficient T MS320LF28016DSP contr ol system,the experi m ent results sho w that the p r oposed method is efficient in reducing the t orque ri pp le .Key words:BLDC;t orque ri pp le;P WM
1 引 言
无刷直流电机是具有梯形反电势波的永磁电机。永磁电机转子采用永磁材料,具有体积小,重量轻,结构简单,运行可靠,效率高等一系列优点,其中,无刷直流电机更因其控制简单的优势在各方面都得到了越来越广泛的应用。但是,无刷直流电机固有的电磁转矩脉动问题会较大影响电机的转速和伺服性能,制约了其进一步的发展。因此,无刷直流电机转矩脉动的抑制,成为了一个重要的研究方向
[122]
。
试验中控制系统采用了德州仪器公司最新的DSP 芯片T MS320LF28016,通过实验证明,该芯片
构成的无刷直流电机调速系统具有高灵敏性和高可靠性的优点,并通过新的P WM 调制方式有效的抑制了换向转矩脉动。
2 直流无刷电机换向转矩脉动分析
1)直流无刷电机数学模型 以星形三相六状
态的120°导通的直流无刷电机为例。主电路采用三相半桥式逆变器,主电路和电机等效模型,如图
1所示[3]
。
图1 无刷直流电机及其主电路示意图
F i g 11Block d i a gram of B LDC m otor dr i ver
可以使用如下三相端电压平衡方程式来描述图1中的无刷直流电机:
U L1U L2U L3
=R 00
0R 0
00
R i L 1i L 2i L 3
+P L 00
0L 0
00
L
i L 1i L 2i L 3
+e L1e L2e L3
+U N U N
U N (1)
式中,P 为微分算子;e L1,e L2,e L3为三相反电动势;i L 1,i L 2,i L 3为电机相电流;U L1,U L2,U L3为电机相电压;U N 为电机中性点相对于直流母线地电平的电压;R 为电枢绕组电阻;L 为绕组电感。
假设电机三相对称,具有120°梯形波反电动势,忽略凸极效应,设绕组特性和参数相同且为常数。
电机电磁转矩公式为
T e =
P e
ω=
n p
ω(e L1i L 1+e L2i L 2+e L3i L 3
)(2)
稳态时电机只有两相通电,电磁转矩为
T e =2n p k e i 0,k e =e /
ω(3)无刷直流电机在工作时,每次换相相隔60°电角度。在换相期间,尽管关断相上的开关管已经关断,但由于电机绕组电感的存在,电流不可能一下减为零,总是会通过相应的续流二极管进行续流,随之再衰减为零。这就是产生换向转矩脉动的主要原因
。关断相的反电动势波形为一个斜坡函数,如图2,图3所示。
因为换向过程很短,在下面的计算中假设换向期间e =±E (E 为反电动势幅值)。
针对无刷直流电机换相的特性,产生了两种不同的调制方式:
①开通管进行P WM 调制,非换相开关管恒通(P WM 2ON )各开关状态,见图2。
②开通管恒通,非换相开关管进行P WM 调制(ON 2P WM )[4],各开关状态,见图3。
下面就具体来分析一下两种不同P WM 调制方式对转矩脉动的影响。
2)开通管进行P WM 调制方式(P WM 2ON )对转矩脉动的影响 以图1主电路为例,假设电流从L1相切换到L2相,此段换相期间波形见图2,T 1为关断开关管,T 3为开通开关管,而T 2为非换相开关管。此种调制方式下由开通开关管T 3进行P WM 调制,非换相开关管T 2恒通。换相期间D 4导通续流,图1中L1点与地相连,电机端电压U L1=0;T 3进行P WM 调制,占空比为D,直流母线电压为U d ,因此U L2=U d ×D;T 2恒通,U L3=0。其中,U d 为直流母线电压,D 为占空比。将电机端电压代入式(1)可解得:
U N =D ×U d /3-E /3
(4)电流从L1相切换到L2相前,i L 1=i 0,i L 2=0,i L 3=-i 0,代入式(1)可近似求得换向过程中电机三相电流方程为
i L 1(t )=i 0-t
3L
(2E +3R i 0+DU d )(5)i L 2(t )=
2t
3L
(DU d -E )(6)i L 3(t )=-i 0+
t
3L
(4E +3R i 0+DU d )(7)
代入电磁转矩公式,可以计算出换相过程中的电磁转矩:
T ′
e =2n p k e i 0+2n p k e t 3L
(DU d -4k e ω-R i 0)(8)与稳态电磁转矩式(3)相比可得此时转矩脉动为
ΔT 1=T e -T ′e
=2n p k e t
3L
(4k e ω+R i 0-DU d )(9)3)非换相开关管进行P WM 调制方式(ON 2P WM )对转矩脉动的影响 假设电流还是从L1相切换到L2相,T 1为关断开关管,T 3为开通开关管,而T 2为非换相开关管。此种调制方式下由非换相开关管T 2进行P WM 调制,开通开关管T 3恒通。换相期间D 4导通续流,电机端电压U L1=0;T 3恒通,U L2=U d ×D;T 2进行P WM 调制,占空比为D,U L3=(1-D )U d ,将电机端电压代入式(1)可解得:
?
333? 第3期 王正仕等:直流无刷电机换向转矩脉动抑制研究
U N =
(2-D )
3U d -
1
3
E
(10)电流从L1相切换到L2相前,i L 1=i 0,i L 2=0,i L 3=-i 0,代入式(1)可近似求得换向过程中电机
三相电流方程为
i L 1(t )=i 0-t
3L
(2E +3R i 0+2U d -DU d )(11)i L 2(t )=
t
3L
(U d +DU d -2E )(12)
i L 3(t )=-i 0+
t
3L
(4E +3R i 0+U d -2DU d )(13)代入电磁转矩公式,可以计算出换相过程中的电磁转矩:
T ′
e =2n p k e i 0+2n p k e t 3L
(2DU d -4k e ω-3R i 0-U d )(14)与稳态电磁转矩式(3)相比可得此时转矩脉动为
ΔT 2=T e -T ′e
=2n p k e t
3L
(4k e ω+3R i 0+U d -2DU d )(15)
比较式(9)和式(15):
ΔT 1-ΔT 2=n p 2k e
3L
U d (D -1)t ≤0
(16)因此在两种调制方式下,对开通管进行P WM 调制的方式(P WM 2ON )换向转矩脉动较小。
3 D SP 控制系统设计
控制系统以T MS320F28016作为核心芯片,主要负责信号的采集,实现控制算法和控制策略,产生所需的P WM 波,使电机稳定运行。同时采用RS232通信标准与上位机系统进行通信。电机位置由3个安装在电机内部的霍尔传感器给出信号,DSP 由通用I/O 口,使用查询方式检测。DSP 首先通过检测到的转子位置,根据选择的控制方式(P WM 2ON 方式与ON 2P WM 方式)发送P WM 开关信号。电流通过T MS320F28016内部的12位A /D 模块检测。转速通过正交编码模块检测。根据检测到的电流与转速,通过P I 调解器计算合适的P WM 占空比,以使电机稳定运行。增强型P WM 模块(eP WM )给出逆变桥开关信号,经由光耦隔离控制I G BT 。
使用T MS320F28016构成的直流无刷电机控制系统,几乎不用再添加其他外围电路,是一种良好的一片式解决方案。相比现在广泛使用的2407,28016新一代的内核具有更高的工作频率(60M );可以完成32×32的乘法操作;可以完成两个16×16乘法操作;汇编程序代码与C 程序代码效率大幅提高等
。高效的性能可以完成各种复杂的控制算法,且价格相比电机控制中高端的2812又极具优
势。28016势必将成为新一代电机控制的首选芯片
之一。
4 仿真和实验结果
本文对两种调制方法都进行了实验验证,采用
功率为1k W 的4极直流无刷电机,逆变器采用三菱公司PS218692P 型号的I P M ,三相6管电流为30A,电压为600V 。实验中首先对相电流波形进行了观测,采用两种调制方式时电机的相电流波形,如图4所示。
图4 两种P WM 方式时电机相电流波形(每格10A)
F i g 14The
pha se curren t under two P WM m ethods
对比图(a )与图(b )可看出,采用P WM 2ON 调制方式时的相电流脉动明显小于ON 2P WM 方式下的电流脉动。
由于转矩的脉动最终影响的是电机的转速,因此,实验还对转速波形进行了对比。DSP 通过正交编码电路对速度进行采样,通过RS232接口传送至计算机。再由计算机分析DSP 所采集到的数据。速度波形,如图5所示。
图5 两种P WM 方式时电机转速波形
F i g 15The m otor speed wavefor m s under two P WM
m ethods
比较图(a )和图(b ),采用P WM 2ON 调制方式时转速的脉动明显小于ON 2P WM 调制方式。
实验结果证明,采用P WM 2ON 调制方式控制的直流无刷电机,能有效地降低换相时的转矩脉
动。
(下转第350页)
MMSGPC算法都可以跟踪参考信号。通过二者的仿真曲线比较可以看出,采用本文算法得到的系统输出能更快地达到稳态值。这也说明在同时考虑外部扰动和参数时变的情况下,本文的算法较之CRH2 PC2BDU算法有更好的鲁棒性。
4 结 语
本文针对一类有界不确定线性离散被控对象,基于内模控制结构,采用了M in2Max优化方法,提出一种新的稳定广义预测控制(MMSGPC)算法。该算法通过内模控制结构的引入,将干扰和不确定性从被控对象中分离出来,然后采用M in2Max优化方法求得控制律。仿真实例表明,本文的方法可以用来处理外部扰动和参数时变产生的不确定性。
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(上接第334页)
5 结 语
本文提出的算法能有效地降低直流无刷电机的转矩脉动,并且具有不改变硬件结构,只通过软件算法降低转矩脉动的优势。基于T MS320F28016的控制系统具有高效的性能并具有成本优势。该套系统已经成功地应用于采用无刷直流电机的工业缝纫机中,并得到了良好的性能,是一种十分实用的直流无刷电机控制算法与控制系统。
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(上接第345页)
5 结 语
本文采用准无穷时域的性能指标,给出了研究受约束的CGPC的闭环稳定性的新方法。将离散时间GPC的无穷时域的12范数性能指标引入到CCG2 PC,通过施加终端等式约束确定出无穷时域性能标的一个上界,将无穷时域性能指标的优化问题转化为有限时域的优化问题。定理1证明了最小化无穷时域性能指标的上界得到的控制律,可以保证CGPC的闭环稳定性且满足终端等式约束。仿真证明了算法的有效性。
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直流电机的维护保养
直流电机的维护保养 1．短期维护 轧钢企业现场工况条件比较恶劣，如维护保养不当，就会出现直流电机换向变差的情况。根据现场实际工况条件优选碳刷，正确调整碳刷，可以使电机恢复正常的换向，确保电机的正常运行。 (1)碳刷的选用 碳刷的选用应综合其材料类别、电阻系数、密度、允许电流密度、允许速度、抗弯强度、硬度等技术参数进行优选。 如一台Z450-4B直流电机，额定功率700kW，额定电流1240A，最高转速1400r/min。该电机实际负荷为90％额定值，原随机配备的某牌号碳刷，在使用中表面油化，换向器表面出现黑色碳膜，碳刷磨损消耗很大，使用寿命不足1个月。经分析，选拜了一种电阻系数、密度、抗弯强度、允许电流密度及线速度较之原来均有提高的碳刷（表1）。磨合后，换向器表面重新形成良好的氧化膜，碳刷使用寿命达到了半年左右。 表1 (2)碳刷数量的最优配置 直流电机中碳刷数量应满足国标规定的负荷能力。按照《Z系列中型直流电动机技术条
件》ZBK23 001-89中的要求，金属轧机用直流电动机应能承受如下连续过载：①在额定电压、转速下，带115％额定负载连续运行；②在额定电压、转速、负载连续运行之后，紧接着以125%额定负载运行2h。 如某Z400-4B直流电机，额定功率400kW，额定电流715A。电机共有4个刷握杆，每个刷握杆上安装了6只碳刷，碳刷表面尺寸为25mm×32mm。那么碳刷设计工作面积（c m2）为： 单只碳刷表面积×每个刷握杆上的碳刷数量×电机极对数= 25×32×6×2=9600mm2=96cm2 在125%额定负载下，碳刷的工作电流密度为：715A×l.25÷96cm2=9.3A/cm2，在碳刷理论最佳工作电流密度8～12A/cm2的范围内。但在实际使用中，该电机最大负荷电流仅为600A，也就是说，该电机碳刷最大工作电流密度为：600A=96cm2=6.25A/cm2。远低于碳刷理论最佳工作电流密度的下限值8A/cm2。 碳刷工作电流密度过小，会造成电机换向器表面出现线状和槽状刻痕，缩短换向器的车削处理周期，缩短电机的使用寿命。反之，碳刷工作电流密度过大，则会造成碳刷及换向器表面发热、换向火花大。如表2对碳刷数量进行调整后，有效地避免了换向器表面的现状和槽状刻痕现象。 表2 (3)碳刷的布置 直流电机换向器刷握杆上的碳刷一般是平均布置的。但在需要对碳刷数量进行调整时，
齿槽转矩脉动
齿槽转矩脉动 齿槽转矩是由转子的永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用，在圆周方向产生的转矩。此转矩与定子的电流无关，它总是试图将转子定位在某些位置。在变速驱动中，当转矩频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能，和位置控制系统中的高精度定位。解决齿槽转矩脉动问题的方法主要集中在电机本体的优化设计 上。 （1）斜槽法定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一，该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。实践表明，采用斜槽角度为10°时，齿槽转矩的基波转矩幅值相当于直槽时的90％，3次谐波幅值相当于直槽时的30％，5次谐波幅值相当于直槽时的19％。值得注意的是，为产生恒定的电磁转矩，反电动势波形必须是平顶宽度大于120°的理想梯形波，而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的正弦化将会增大电磁转矩纹波。因此，选择合适的斜槽角度是有效抑制齿槽转矩脉动的关键。 （2）分数槽法该方法可以提高齿槽转矩基波的频率，使齿槽转矩脉动量明显减少。但是，采用了分数槽后，各极下绕组分布不对称，从而使电机的有效转矩分量部分被抵消，电机的平均转矩也会因此而相应减 小。 （3）磁性槽楔法采用磁性槽楔法就是在电机的定子槽口上涂压一层磁性槽泥，固化后形成具有一定导磁性能的槽楔。磁性槽楔减少了定子槽开口的影响，使定子与转子间的气隙磁导分布更加均匀，从而减少由于齿槽效应而引起的转矩脉动。由于磁性槽楔材料的导磁性能不是很好，因而对于转矩脉动的削弱程度有限。 （4）闭口槽法闭口槽即定子槽不开口，槽口材料与齿部材料相同。因槽口的导磁性能较好，所以闭口槽比磁性槽楔能更有效地消除转矩脉动。但采用闭口槽，给绕组嵌线带来极大不便，同时也会＇大大增加槽漏抗，增大电路的时间常数，从而影响电机控制系统的动态特性。 （5）无齿槽绕组为了消除齿槽转矩脉动，可采用无槽绕组的永磁无刷直流电机，这种结构的电机定子可使用非导磁铁心的无齿槽空心杯定子结构（见图），能够彻底消除了齿槽转矩脉动的影响；但绕组电感显著减小，一般只有几μH到几十μH，因此定子电流中的PWM分量非常明显。
无刷直流电机转矩脉动抑制方法综述
无刷直流电机转矩脉动抑制方法综述 周杰，侯燕 （河南工业大学电气工程学院，450007） 摘要：为扩大无刷直流电机在精度较高的伺服系统中的应用，必须尽量减小其转矩脉动。详细论述了无刷直流电机各种有效的转矩脉动抑制方法，并进行分类归纳。 关键词：无刷直流电机；转矩脉动；综述 中图分类号：TM33 文献标识码：B 文章编号：1004-0420(2007)06-0005-04 The review on torque ripple minimization of brushless DC motors ZHOU Jie，HOU Yan (College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，450007) Abstract：To enlarge the application of brushless DC motor in higher accurateness servos，the torque ripple of brushless DC motor must be minimized. Aiming at the torque ripple attenuation of brushless DC motor，many efficient methods were discussed and classified in detail. Key words：brushless DC motor; torque ripple; review 0 引言 近年来,无刷直流电机(BLDCM)以其体积小、结构简单、功率密度高、输出转矩大、动态性能好等特点而得到了广泛应用[1]，尤其是在机器人、精密电子仪器与设备等对电机性能、控制精度要求较高的场合和领域，其应用和研究更是受到普遍重视。目前，无刷直流电机最突出的问题就是具有转矩脉动，转矩脉动会直接降低电力传动系统控制特性和驱动
转矩脉动抑制
International Journal of Automotive Technology , Vol. 12, No. 2, pp. 291?297 (2011)DOI 10.1007/s12239?011?0034?8 Copyright ?2011KSAE 1229?9138/2011/057?16 291 TORQUE RIPPLE MINIMIZA TION CONTROL OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS FOR EPS APPLICA TIONS G . H. LEE 1), W. C. CHOI 1), S. I. KIM 2), S. O. KWON 2) and J. P . HONG 2)* 1) Graduate School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 136-702, Korea 2) Department of Automotive Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea (Received 18 February 2009; Revised 9 August 2010) ABSTRACT ?This paper identifies a control method used to reduce torque ripple of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) for an electric power steering (EPS) system. NVH (Noise Vibration Harshness) is important for safe and convenient driving. Vibration caused by motor torque is a problem in column type EPS systems. Maintaining a very low torque ripple is one solution that allows for smoother steering. Theoretically, it is possible to design and drive the motor without torque ripple.However, in reality, a PMSM system torque ripple is caused by the motor itself (saturation in the iron core and EMF distortion)and the imperfect driver. This paper analyzes torque ripple of a PMSM system, and an advanced PMSM control method for the column typed EPS system is presented. Results of the analysis indicate that the compensation current is needed in order to minimize torque ripple when a PMSM is driven. KEY WORDS :Electric power steering, Magnetic saturation, PMSM, Torque ripple, Deadtime, EMF distortion 1. INTRODUCTION Research is being performed to improve the fuel efficiency of vehicles. One of the main areas of focus is on the steering of auxiliary equipment. Electric Power Steering (EPS) is receiving more attention than Hydraulic Power Steering (HYPS). Electric power steering (EPS) is a system that supplies motor power directly to the steering to assist steering torque while HYPS uses an oil pump that is driven by the engine (Shimizu and Kawai, 1991). A permanent magnet synchronous motor (PMSM) has been used to improve the performance of EPS. Since a PMSM has many advantages, such as high efficiency and high torque per rotor volume, it is especially suitable for automotive applications in which space and energy savings are critical (Miyoshi et al ., 2005). In a column type EPS system, the PMSM is linked to the steering shaft via a reduction gear. This connection transfers the motor vibration and torque fluctuation directly through the steering wheel to the hands of the driver (Zhang et al .,2008). For this reason, only the ripple between one and three percent of rated torque is permitted. Several technical papers have presented a motor design andcontrol technique to reduce cogging torque and torque pulsation (Islam et al ., 2005; Mattavelli et al ., 2005; Bianchi et al ., 2002; Lee et al ., 2008). However, this paper discusses an estimation method of compensation current for suppress-ing torque ripple caused by a PMSM (Lee et al ., 2008).In an EPS application, the magnetic saturation in the stator core and distortion of EMF is inevitable due to spatial and cost limitations(Lee, 2010). Imperfections of a low voltage inverter for EPS can be severe. This paper also analyzes torque ripple caused by the motor, deadtime effects, and current offset problems of the PMSM driver.The harmonic current distribution is calculated using finite element analysis, and the effective dead time compensation method is proposed. 2. TORQUE RIPPLE OF PMSM 2.1. Torque Ripple of PMSM for the EPS Figure 1 indicates a fabricated PMSM for the column type EPS system. The rotor configuration was skewed to reduce cogging torque. Segment type and ring type rotors are used for the purpose of this research. The specifications for a PMSM are listed in Table 1. Cogging torque and total harmonic distortion (THD) of a back-EMF required in the motor are less than 0.02 Nm and 0.7% respectively. If the rotor of a SPMSM is composed of segment-type permanent magnets, there is relatively low THD in the back-EMF (0.7%). A ring-type magnet has a higher THD in the back-EMF (2.3%) and an acceptable level of productivity.The torque waveforms of segment and ring magnets are shown in Figure 2. In order to measure torque ripple accurately, the motor is driven at 10 rpm, and input current is controlled with a THD less than 0.5%. As the magnetic torque increases, the electric frequency increases by a *Corresponding author . e-mail: hongjp@hanyang.ac.kr
方波无刷直流电机转矩脉动分析
方波无刷直流电机转矩脉动分析 作 者：中国中铁电气化局集团第二工程有限公司 李 庆 [专家点评] 引言 永磁方波无刷直流电动机具有体积小、重量轻、出力大、控制简单和调速方便等优点，被广泛应用于军事、工业和家电等各行业。但是，方波无刷直流电机转矩脉动大，限制了它在一些场合的应用。转矩脉动主要是由于电磁因素引起的，本文分析了无刷直流电动机转矩脉动的成因，并从系统的观点提出改善转矩脉动的措施。 方波无刷直流电机转矩脉动成因[2] 永磁无刷直流电动机的气隙磁场为方波，相应的逆变装置采用二二导通模式，以保证定子电流波形与气隙磁场波形一致，这样电机转矩脉动最小，几乎为零。但是现实中做到定子电流波形与气隙磁场波形完全一致是不可能的，同时由于电机本身存在定子绕组的换流问题，这就带来了转矩的脉动。从转矩公式 (1) 式中：t e为转矩；为相反电；为相电流；ω角速度；从式中可以看出，转矩脉动主要与定子电流和气隙磁场有关。 定子电流对转矩脉动的影响 控制逆变装置目的就是调整电流，使之尽量接近理想的方波波形，但是由于定子绕组存在电感，使得定子中的电流上升和下降都有个过程，使得定子电流达不到理想方波波形，导致了转矩的脉动。同时由于斩波频率的限制，非换相期间电流的脉动也带来的精度允许范围之内的转矩脉动。 气隙磁场对转矩脉动的影响 电机气隙磁场在设计时是梯形波磁场，但是由于机械加工制造等方面的影响，使得气隙磁场达不到理想的梯形波形，同时由于定子齿槽的存在使得气隙磁场有脉动[1]；当电机带负载运行时，定子磁场与转子磁场相互作用，有电枢反应，使得气隙磁场产生畸变，偏离理想梯形波，这也带来了转矩的脉动。 抑制转矩脉动的措施 为了抑制转矩脉动主要从三方面来采取措施： （1）从主回路角度，尽量采用高频器件，提高谐波次数，减少谐波转矩脉动； （2）从控制的角度，采用最佳的逆变器控制模式，尽量增加有效电磁转矩，采用合适的控制方法抑制换流带来的电流脉动导致的转矩脉动；
直流电机中电刷火花产生的原因分析及解决方法
直流电机中电刷火花产生的原因分析及解决方法 摘要：直流电机在运行时，电刷与换向器之间很容易产生 火花，而火花对电机的运行会带来危害，当火花的级别太大时， 甚至会烧坏电机的运行设备。本文就通过对火花产生的原因的分 析来找出在实际中的解决方法。 关键词：直流电机电刷火花解决方法 直流电机在运行时，在电刷和换向器表面之间常有火花产 生，火花通常是出现在后刷边(换向器离开电刷的一侧)。当火 花在电刷上的范围很小时，对电机运行不会有什么影响。但当火 花在电刷上的范围较大时，则对电机的运行将带来危害，尤其是 放电性的红色电弧火花，会加速电刷与换向器的磨损，甚至使励 磁机损坏，这时我们就必须及时检查纠正。 一、火花产生的原因分析 (一)电磁方面的原因 换向元件在换向时，由于受到某些磁场的影响，以及由于自 感及互感作用在换向元件中感应出有以下三种电势。 1、电抗电势。这是由自感和互感现象产生的电势，互感电 势是指别的换向元件中的电流发生变化时引起我们所研究的换向 元件中产生感应电势，自感电势是指由于自身的电流发生变化而 在它的换向元件中产生感应电势，这两种电势我们合称为电抗电 势。由于自感和互感电势的方向总是阻碍电流的变化，因此自感 与互感电势的方向与元件换向前的电流方向相同。 2、电枢电势。直流电机中存在两种磁场，一是由我们给励 磁绕组加入通人的直流电所产生的磁场，这个磁场我们称为主磁 场；另一个是当电机有负载时，电枢绕组中有电流通过，这个电 流也要产生一个磁场，我们把这个磁场称为电枢磁场。这就使得 在有负载的电机中，主磁场和电枢磁场同时存在，这两种磁场会 相互影响，这种影响叫做电枢反应。换向元件切割此电枢反应磁 通n1『产生的电势称为电枢反应电势。其方向也和换向前该元件中 的电流方向相同。 3、换向极电势。由前分析可知，电抗电势和电枢电势的方 向相同，两者相互叠加，这将导致换向元件回路中产生较大的附 加电流，为了减少此对电机的影响，一般都在直流电机中安装换 向极。换向极安装在主磁极之间的几何中性线上，使换向元件切 割换向极磁场产生换向极电势，此电势的方向与前两者相反，起 到抵消的作用。 (二)机械方面的主要原因有：1、换向器偏心；2、换向器 表面换向片或云母片凸出；3、换向器表面污染；4、电刷压力不 合适；5，电刷与刷盒配合不好使两者太紧或太松；6、电机装配 不良或动平衡不好引起运行时的振魂7、电刷位置安装不正确 8、电刷接触面研磨不光滑换向极气隙不均匀。 二、防止火花的产生的几个主要措施 (一)加装换向极。利用换向极在换向元件中产生的换向极 电势来抵消，这是改善直流电机换向最有效的方法，因此目 前一般的直流电机都装有换向极。 (二)合理选用电刷。要求电刷与换向器表面的接触电阻尽 量大些，同时电刷耐磨性要好。直流电机中一般都采用电化石墨
直流电动机工作原理
图7-4 直流电动机模型 图7-4是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A 和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。 图7-5 换向器在直流电机中的作用 当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。 当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图7-5（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。
直流电机工作原理和结构 一、直流电机工作原理 * 直流发电机的工作原理 * 直流电动机的工作原理 * 电机的可逆运行原理 两个定理与两个定则
关于改善直流电机EMC方案
一.单相串激电机的换向种类分为:直线换向(电阻换向).延时换向.超前换向,由于有电抗电势的存在和影响,直线换向根本不存在,因此单相串激电机的换向只有两种,不是延时换向,就是超前换向; 1. 当电抗电势所形成的环流大于换向电势所形成的环流时,直线换向就变成延时换向,此时后刷边的电流密度大于前刷边的电流密度,造成后刷边的火花较大; 2.当电抗电势所形成的环流小于换向电势所形成的环流时,直线换向就变成超前换向,此时前刷边的电流密度大于后刷边的电流密度,造成前刷边的火花较大; 二.单相串激电机的换向好坏直接影响EMC的测试,要想改善EMC就必须改善电机的换向,改善电机的换向有以下措施: 1. 选用与换向器接触电阻较大的碳刷,而增加碳刷与换向器的接触电阻最有效的办法是选用硬质碳刷,碳刷越硬,接触电阻越大,接触压降也越大,相对的削弱了电感的影响,使换向过程近似于直线换向,有利于消除火花.碳刷根据接触电阻大小分为:碳石墨碳刷.石墨碳刷.电化石墨碳刷和铜石墨碳刷.需要注意的是,每种电机都有适合其性能的碳刷,有的电机可能这种碳刷火花大,而换上另一种碳刷可能就满足换向要求,因此,一个电机尽量多试几种碳刷,以找到最适合该电机的碳刷. 2. 控制碳刷弹簧压力在250～500g/cm²之间; 3. 控制碳刷电流密度≤12A/cm² 4.控制换向器片间电压＜ 25V; 5. 控制碳刷在刷握里的单边尺寸在0.05-0.39MM之间; 6. 控制换向器与刷握的端面间距在1.5±0.5MM之间; 7. 控制换向器的表面粗糙度Ra<0.4 8. 减少电抗电势E=2×I×L/T,其中I为电枢电流,L为线圈电感,T为换向周期,要减少电抗电势,可采用减少换向线圈的匝数,即减少转子的线圈数;采用较短的铁芯长度等; 9. 利用换向电势或速度电势来抵消电抗电势; 10. 逆转子旋转方向移动碳刷10度-26度; 11. 在绕线时,将接线顺着转子的旋转方向偏前1-2片; 12. 在绕线时,采用短距绕组,而不能采用全距绕组; 13. 加强定子磁场以相对削弱转子磁场的办法,即加大定子的激磁安匝数; 14. 定子采用不均匀气隙,其益处:可降低由于电枢反应所引起的气隙磁场的畸变程度,使换向器的片间电压最大值减小,从而可减少换向火花(见下图) 15. 限制变压器电势E=4.44×f×W2×￠,其中f为电源的频率, W2为转子的每元件匝数, W2=N/2K,N为转子的总导体数,K为换向片数, ￠为定子单边磁通量,要减少变压器电势可采用增加换向器片数的办法,或者减少转子的每元件匝数,一般将变压器电势控制在≤7V. 三. 改善EMC的措施 一台高速运转的带换向器的串激电机就相当于一台无线电发射装置,由于换向时产生火花和电弧,它将产生低频和高频的无线电干涉影响电视广播和无线电通讯,因此需要对其产生的干扰进行抑制; 1.电磁干扰形成的原因 A. 电机换向时导致参与换向的电枢线圈短路,回路流过短时大电流,当换向片与碳刷断开位置时,碳刷与换向片之间产生换向火花,使换向区域附近的空气介质电离,在空气中形成带电粒子,从而形成电磁干扰,这种火花电离产生的干扰频谱较宽且连续分布,对广播电视产品.通讯类产品及其他电子类产品有较大的干扰作用; B. 由于可控硅.整流二极管.开关等在导通和截止的工作特性和导通的稳定性较差,也会产生高频次谐波干扰分量;
第一章直流电机习题答案
1、说明直流发电机的工作原理。 答：1）用原动机拖动电枢绕组旋转 2）电机内部有磁场存在； 3）电枢绕组旋转切割磁场，产生交变的感应电势（右手定则）； 4）通过电刷将交变感应电势引出变成直流； 5）将机械能变为电能。 2、说明直流电动机的工作原理。 答：1）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 2）机内部有磁场存在。 3）载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f 作用f=Bli a（左手定则） 4）所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖 动机械负载。 3、直流电机的额定值有哪些？ 答：额定值有额定功率、额定电压、额定电流和额定转速等 4、 答：直流电机的励磁方式分为他励和自励两大类，其中自励又分为并励、串励和复励三种形式。 1）他励 他励直流电机的励磁绕组由单独直流电源供电，与电枢绕组没有电的联系，励磁电流的大小不受电枢电流影响。 2）并励 发电机：I a=I f+I
电动机：：I =I a+I f 3）串励：I a=I f=I 4）复励 5、直流电机有哪些主要部件？各部件的作用是什么。 答：一、定子 1、主磁极：建立主磁通，包括：铁心：由低碳钢片叠成 绕组：由铜线绕成 2、换向磁极：改善换向，包括：铁心：中大型由低碳钢片叠成。 小型由整块锻钢制成。 绕组：由铜线绕成。 3、机座：固定主磁极、换向磁极、端盖等，同时构成主磁路的一部分，用铸铁、铸钢或钢板卷成。 4、电刷装置：引出（或引入）电流，电刷由石墨等材料制成。 二．转子 1．电枢铁心：构成主磁路，嵌放电枢绕组。由电工钢片叠成。 2．电枢绕组：产生感应电动势和电磁转矩，实现机—电能量转换。由铜线绕成。 3．换向器：换向用，由换向片围叠而成。 6、直流电机的换向装置由哪些部件构成？它在电机中起什么作用？ 答：换向装置由换向片、换向极铁心和换向极绕组构成。主要作用是改善直流