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    电动推杆与永磁同步电动机的结构和性能比较

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    点击次数:更新时间:2018-05-02 10:05:54

      1.在电动机结构与设计方面

      这两种电动机的基本结构相同,有永磁转子和与交流电动机类似的定子结构?但永磁同步电动机要求有一个正弦的反电动势波形,所以在设计上有不同的考虑?它的转子设计努力获得正弦的气隙磁通密度分布波形?而无刷直流电机需要有梯形反电动势波,所以转子通常按等气隙磁通密度设计?绕组设计方面进行同样目的的配合?此外,BLDC控制希望有一个低电感的绕组,减低负载时引起的转速下降,所以通常采用磁片表贴式转子结构?内置式永磁(IPM)转子电动机不太适合电动推杆控制,因为它的电感偏高?IPM结构常常用于永磁同步电动机,和表面安装转子结构相比,可使电动机增加约15%的转矩?

    2. 转矩波动

    两种电动机性能最引人关注的是在转矩平稳性上的差异?运行时的转矩波动由许多不同因素造成,首先是齿槽转矩的存在?已研究出多种卓有成效的齿槽转矩最小化设计措施?例如定子斜槽或转子磁极斜极可使齿槽转矩降低到额定转矩的1%-2%以下?原则上,永磁同步电动机和电动推杆的齿槽转矩没有太大区别。

    其他原因的转矩波动本质上是独立于齿槽转矩的,没有齿槽转矩时也可能存在?如前所述,由于永磁同步电动机和电动推杆相电流波形的不同,为了产生恒定转矩,永磁同步电动机需要正弦波电流,而电动推杆需要矩形波电流?但是,永磁同步电动机需要的正弦波电流是可能实现的,而电动推杆需要的矩形波电流是难以做到的?因为电动推杆绕组存在一定的电感,它妨碍了电流的快速变化?电动推杆的实际电流上升需要经历一段时间,电流从其最大值回到零也需要一定的时间?因此,在绕组换相过程中,输入到电动推杆的相电流是接近梯形的而不是矩形的?每相反电动势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°?正是这种偏离导致无刷直流电机存在换相步电动机中驱动器换相转矩波动几乎是没有的,它的转矩纹波主要是电流纹波造成的?

    在高速运行时,这些转矩纹波影响将由转子的惯性过滤去掉,但在低速运行时,它们可以严重影响系统的性能,特别是在位置伺服系统的准确性和重复性方面的性能会恶化?

    应当指出,除了电流波形偏离期望的矩形外,实际电流在参考值附近存在高频振荡,它取决于滞环电流控制器滞带的大小或三角波比较控制器的开关频率?这种高频电流振荡的影响是产生高频转矩振荡,其幅度将低于由电流换相所产生的转矩波动?这种高频转矩振荡也  存在于永磁同步电动机中?实际上,这些转矩振荡较小和频率足够高,它们很容易由转子的贯性而衰减?不过,由相电流换相产生的转矩波动远远大于电流控制器产生的这种高频转矩在一些像机器人技术和航空航天器高性能应用中,希望规定输出功率的电动机有尽可能

    3. 功率密度和转矩转动惯量比

    在一些像机器人技术和航空航天器性能应用中。小的体积和重量,即希望有较高的功率密度?功率密度受限于电动机的散热性能,而这又取决于定子表面积?在永磁电动机中,最主要的损耗是定子的铜损耗?铁心的涡流和磁滞损耗,转子损耗假设可忽略不计?因此,对于给定机壳大小,有低损耗的电动机将有高的功率密度。

    假设永磁同步电机和电动推杆的定子铁心涡流和磁滞损耗是相同的?这样,它们的功率密度的比较取决于铜损耗?下面对比两种电动机输出功率是基于铜损耗相等条件?在永磁同步电动机中,采用滞环比较器或PWM电流控制器得到低谐波含量的正弦波电流,绕组铜损耗基本上是由电流的基波部分决定的?设每相峰值电流是p1,电流有效值(RMS)是lp1/2,那么三相绕组铜损耗是3(lp22R2,其中R是相电阻?

      在电动推杆中,它的电流是梯形波,设每相峰值电流是lp2,由于三相六状态总只是两相通电工作,绕组铜损耗是22?Rn,其中R是相电阻?由铜损耗相等的设定条件

      由上面分析,在无刷直流电机中,每相反电动势为Ep2,转速为Ω,电磁转矩表示为sb=2Ep2lp2/2;在永磁同步电动机中,每相反电动势为Ep1,转速为』,电磁转矩表示为rm=1.5Eplp/p由于反电动势幅值是由直流母线电压决定的,取Ep1=Ep2,可得到

    转换为两者输出电磁功率之比也是1.15?

      上述粗略分析结果显示,电动推杆比相同机壳尺寸的永磁同步电动机能够多提供15%的功率?即其功率密度约大15%?实际上,考虑到电动推杆的铁损耗比永磁同步电动机要稍大些,输出功率的增加达不到15%?

    当电动机用于要求快速响应的伺服系统时,系统期望电动机有较小的转矩转动惯量比?因为电动推杆的功率输出可能增加15%,如果它们具有相同的额定速度,也就有可能获得15%的电磁转矩的增加?当它们的转子转动惯量相等时,则电动推杆的转矩转动惯量比可以高出15%?

    如果两种电动机都是在恒转矩模式下运行,电动推杆比永磁同步电动机的每单位峰值电流产生的转矩要高?由于这个原因,当使用场合对重量或空间有严格限制时,电动推杆应当是首选。



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