霍尔位置偏移对无刷直流电动机性能的影响

霍尔位置偏移对无刷直流电动机性能的影响

　　　　2010年第7期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

D

设计分析

esignandana　

霍尔位置偏移对无刷直流电动机性能的影响

周俊杰,窦满峰,董　蓉

(西北工业大学,陕西西安710129)

摘　要:针对无刷直流电动机中霍尔位置偏移对电机性能造成的影响进行分析讨论,究霍尔位置偏移导致的电流超前导通和滞后导通情形时电机性能的差异,Net进行仿真验证。通过分析验证霍尔元件位置偏移对电机转矩脉动、关键词:无刷直流电动机;电枢反应;弱磁;霍尔元件

中图分类号:TM33　　文献标识码:A　　文章编号--03

ImpactofenmBrushlessDCMotors

-DOUMan-feng,DONGRong

PolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

performanceofdifferentHallelementplacementofbrushlessDCmotorswasdiscussedandanalyzed.Basedonthemagneticforceanalysistheory,thedifferenceofmotor’spropertiesofcurrentphaseadvancesituationsandofcurrentphaselagsituationswerestudied.AccordingtotheemulationoffiniteelementanalysissoftwareMagNet,torqueripple,mechanicalpropertiesandspeedofchangingthepositionofHallwereanalyzed.

Keywords:brushlessDCmotor(BLDCM);armaturereaction;flux-weakening;Hallelement

0引　言

在无刷直流电动机中,来自霍尔位置传感器的

信号经处理后按照一定的逻辑程序,驱动与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止,这个过程称之为换相。霍尔元件的位置决定其换相时刻,为了实现无刷直流电动机中最佳性能,必须同时满足最佳换相逻辑和最佳换相位置。

的永磁无刷直流电动机,一个磁状态为60°电角度。图1为理想换相过程,图1a为一个磁状态的开始,此时绕组A、B通电,定子合成磁势Fa和转子合成磁Ff夹角为120°电角度,在转子旋转的前半个磁状态,磁势Fa在d轴上表现为去磁作用,后半个磁状态,磁势Fa在d轴上表现为增磁作用。磁势Fa在q轴上表现为交磁作用,当转子顺时针转动时,q轴分量逐渐增加,达到最大后又开始减小。图1b为一个磁状态结束时刻,此时电枢开始换相,绕组A、C通电,定子磁场步进60°电角度,以后转子旋转60°电角度过程中的电枢反应情况与前一个60°内基本相同。

定子磁势Fa的直轴分量主要影响电机的每极磁通,从而影响电机的转速和转矩。磁势Fa的交轴分量与Ff相互作用影响电机产生的转矩和转矩脉动

。

1问题描述

在无刷直流电动机中,为了获得对称的电势和磁势,霍尔元件一般放置在各相带绕组的中间位置,可以放置在A、Z、B三个相带的中间位置,即为60°间隔放置;也可以放置在A、B、C相带位置,即为120°间隔放置,记为霍尔元件的理想位置。在实际工程中,由于工装误差导致三个霍尔元件整体相对理想位置偏移或者转子磁钢安装误差导致磁钢空间分布不对称都会引起换相偏移最佳换相点。本文讨论了霍尔元件位置偏移对电机性能的影响。

2霍尔元件位置偏移对电机性能的影响

2.1无刷直流电动机电枢反应特点

图1　无刷直流电动机一个磁状态运行示意图

霍

尔位置偏移对无刷直流电动机性能的影响

对于“两相导通星型三相六状态”工作方式下

收稿日期:2010-03-10

2.2霍尔元件位置偏移对电枢反应的影响

霍尔元件位置偏移导致电流与反电势的相位角

19β≠0,β不同电枢反应的影响不同。由于无刷电机　

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霍尔位置偏移对无刷直流电动机性能的影响

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可以根据需要改变逻辑状态,因此β的取值可以限制在0～30°电角度之间。图2为三种霍尔元件在不同位置的电机运行示意图。霍尔元件顺电机旋转方向偏移,电流滞后导通;霍尔元件逆电机旋转方向偏移,电流超前导通。在一个磁状态60°电角度下分析霍尔元件不同位置时的电枢反应。

2.2.3霍尔元件逆电机旋转方向偏移β电角度,此

时电流超前导通β电角度

转子旋转0°～30°+β,电枢反应起去磁作用,θ变化范围从60°-β～90°;转子旋转30°+β～60°,电枢反应起增磁作用,θ变化范围从90°～60°+β。

整个磁状态,:

ΔFad=Fa

Fsinβ

60a

β60°+

(8)

°-β

θ=Facosβaq=Fd

π60°-β

(9)

图2　三种不同换相时刻示意图

2.2.1霍尔元件在理想位置

转子旋转0°～30°,化范围从60°90;°,起增磁作用,60°。

,:

ΔFad=0　　交轴磁通势一个磁状态平均值为:

120°

θ=FaFaq=Fasinθd

π60°π

(1)

:

-β

120°

θ=Tavcosβ(10)T=KFfFasinθd

π60°-β

β=0时,等效直轴总磁通势不变;0<β<30°　　

∫

时,当电流超前导通角大于零时,直轴磁通势减小,根据无刷直流电动机的外特性公式:

2ra(11)n=-2Tem

CeΦδCeCTΦδ　　可知电机空载转速上升,机械特性变软;交轴磁

通势减小,电机电磁转矩减小。由式(10)可知,此时较霍尔元件在理想位置电磁转矩变小,转矩脉动也变大。

∫

(2)

　　电磁转矩一个磁状态的平均值为:

120°

θ=KFfFaTav=KFfFasinθd

π60°π

∫

(3)

2.2.2霍尔元件顺电机旋转方向偏移β电角度,此

3有限元仿真

为验证以上理论分析,针对额定电压为270V、

额定转速为3800r/min、额定转矩为45N m的表贴式径向励磁永磁无刷直流电动机,利用有限元分析软件进行了仿真,通过对功率管导通角的设定来模拟不同的霍尔元件位置分别对电流正常导通、电流超前导通、电流滞后导通进行仿真,研究电机性能的差异。

在模型建立过程中,按照创建几何模型、设定物理属性、网格剖分,然后对控制电路分别按上述三种不同换相时刻进行设置,分别建立模型。对三种模型分别做不同负载转矩的仿真,采用相同的仿真步长和计算误差,设置保证电机达到稳态运行的仿真时间。

图3分别为霍尔元件顺电机旋转方向偏移30°电角度和霍尔元件逆电机旋转方向偏移30°电角度时与霍尔元件在理想位置时在相同的负载转矩下的电磁转矩曲线对比图。从图3可以看出,两种霍尔元件偏移的情况较霍尔元件在理想位置转矩脉动都有所增加。

图4为霍尔元件顺电机旋转方向偏移不同角度时电机的机械特性。由图4可知:

(1)由于电机磁路基本达到饱和,四条机械特

时电流滞后导通β电角度

转子旋转0°～30°-β,电枢反应起去磁作用,θ变化范围从60°+β～90°;转子旋转30°-β～60°,电枢反应起增磁作用,θ变化范围从90°～60°-β。

整个磁状态,等效直轴磁通势增加量:

ΔFad=Fa

∫cosθdθ=Fsinβ

60°-β

a

β60°+

(4)

　　交轴磁通势一个磁状态平均值:

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