1、设计与研究DESIGN”RESEARCH无刷直流电动机电枢等效电阻的实例研究收稿日期: 2001- 08- 31韩光鲜1,谢占明1,王宗培1,程智2(11 哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001;21 珠海运控电机有限公司,广东珠海519001)摘要:用典型结构和驱动方式的无刷直流电动机的实际数据,说明了通常认为电枢等效电阻基本上由绕组电阻决定的概念与事实有很大出入。指出换向等效电阻的影响不可忽略,它的值与电动机的转速成正比,在转速较高时,可以达到绕组电阻的若干倍。给出了电枢电阻及其各个分量的实验测定方法。关键词:无刷直流电动机;电枢等效电阻;电枢绕组电阻;换向等效电阻中图分类号: TM 3
2、81;文献标识码:A文章编号: 1001- 6848(2002)01- 0003- 03M odel Study of Armature Equivalent Resistance in BrushlessDCM otorHAN Guang- xian1,X IE Zhan- m ing1,WAN G Zong- pei1,CHEN G Zhi2(11Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;21ZhuhaiM otion ControlM otor Co. L td, Zhuhai 519001,China)Abstract:B
3、ased on actual data of brushless dc motor w ith typical structure and drive mode, this paper show s thatthe conception used to think that armature equivalent resistance is basically determ ined by w inding resistance doesnot fit the fact.Indicates that the effect of the commutation equivalent resist
4、ance should not be neglected,Itsmagnitude is in proportion to rotate speed of themotor andmay be several ti mesof thew inding resistancewhen ro2tate speed is rather high. A n experi mentalmethod to test armature resistance is proposed.Key words: brushless dcmotor; armature equivalent resistance; arm
5、aturew inding resistance; commutation equiva2lent resistance1稳态模型无刷直流电动机已获得广泛应用,它的基本理论已相当成熟,典型结构的方波驱动的永磁无刷直流电动机,稳态模型与普通直流电动机一样。 为1, 2:U=kerT=ktIV=R I+UT=Tf+TL(1)式中U电枢旋转电压ke旋转电压(反电势)系数r转子角速度T电磁转矩kt转矩系数I电枢电流V端电压R电枢电阻Tf机械损耗转矩TL负载转矩图1无刷直流电动机的稳态模型简图通常认为电枢电阻为:R=Ra+Rb(2)R包括绕组直流电阻Ra与功率管导通电阻Rb二部分,并且认为在多数情况下I
6、Rb与端电压V相比很小,可以略去不计。在讨论电枢电阻的测定时,都是介绍用电桥或欧姆计的方法对绕组电阻进行测试,并考虑绕组的不同接法及温度影响等3。模型表明,从电路的角度看,仅为一个回路的简单直流电路,电路的基本参数也只有一个电枢电阻R,电动机的稳态特性当然就与R密切相关。 但是实3无刷直流电动机电枢等效电阻的实例研究韩光鲜谢占明王宗培,等 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.际上稳态模型中的电枢电阻并不是基本上等于绕组电阻那么简单,只要对任意1台无刷直流电动机的稳态运行特性作定量的分析就可
7、以发现。2样机试验1台典型结构和驱动方式的无刷直流电动机,在直流电压V= 50V不变的条件下,测得的一组负载实验数据如表1所示。表1V= 50V时样机1#的负载实验数据TL?NmI?An?(r?m in)P2?W02. 298 30000. 175. 477 900140. 60. 348. 337 480266. 30. 5411. 67 000395. 80. 7414. 476 640514. 6作成曲线如图2a、b所示。图2a是电动机最基本的机械特性曲线,负载转矩TL= 0时电动机的空载转速n0= 8 300r?m in;负载转矩增大时,电动机的转速下降,例如TL= 0. 5Nm时,n
8、L= 7 100r?m in,转速下降了n= 1 200r?m in;转速的下降反映了电枢电流增大,电枢电阻压降的增大,从中即可了解电枢电阻的值。 更直观一些,通过图2b的转速特性可知,它是负载增大时转速与电枢电流的关系。电枢电流为零时,可得理想空载转速,n0= 8 600r?m in。转速随电枢电流增大而下降,例如I= 11. 6A时,较I= 0A时,转速下降的值为n= 1 600r?m in;表明这时电枢电阻压降为:IR=Vn0n=5086001600= 9. 30V(3)图2实验样机1#的实测特性曲线示例可见,这时电枢电阻的值为:R=IRI=9. 3011. 6= 0. 8028(4)1
9、#实验样机定子三相绕组为接,一相绕组电阻用欧姆计测得为0. 118,电枢绕组的电阻为:Ra= 0. 11? ?0. 22=0. 110. 220. 11+ 0. 22= 0. 0738(5)式(4)和(5)相比较表明,样机1#在所述状态下,电枢电阻的值(R)与电枢绕组电阻(Ra)的值不是同一个数量级,很难说明电枢绕组电阻基本 上能代表电枢电阻的值。 实验时,电源电压严格保持恒定不变,联接导线的电阻尽量减小,功率管的导通电阻也很小,所以就是考虑电枢绕组电路其他各部分电阻的影响,也根本不能说明实际上电枢电阻的值为什么有式(4)表示那么大。事实上电枢等效电阻除了电枢绕组电阻(Ra)和功率管的导通电阻
10、(Rb)以外,还有一项不可忽视的部分,即换向等效电阻(Rc)。于是:R=Ra+Rb+Rc(6)它的机理与有刷直流电动机相似,只不过常规的有刷直流电动机通常换向片数很多,同时换向元件只占电枢元件的很小一部分,所以影响很小,可以不计。 作者曾在三槽小型直流电动机的情况下,对换向等效电阻作过专门的研究,表明在电枢等效电阻中占有不可忽视的比重4, 5。 无刷直流电动机一般具有三相电枢绕组,与三槽电动机很相似,而且功率较大,显得更为突出。Rc的特点是它的值与转速密切相关。Rc的值在R中占较大比重时,使得R的值与转速有关,所以电枢等效电阻的测定需在不同转速下进行。以下是对试验样机2#电枢电阻测定的实例。
11、为了保持电动机的转速为某一定值,增加负载电枢电流(I)需增高电动机的端电压(V),这样可获得n=const时,V=f(I)的关系,称为调整特性,实测样机2#的调整特性如表2及图3所示。表2样机2#调整特性实测数据表n= 3000(r?m in)I?A2. 05 1. 68 1. 36 0. 90 0. 430. 093V?V246237228215203193n= 3500(r?m in)I?A2. 05 1. 73 1. 41 0. 17 0. 69 0. 41 0. 22V?V2832762662552432342294微电机2002年第35卷第1期(总第124期) 1995-2003 T
12、singhua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.续表2样机2#调整特性实测数据表n= 4000(r?m in)I?A1. 48 1. 32 1. 06 0. 82 0. 59 0. 37V?V305300290283274261n= 4500(r?m in)I?A0. 71 0. 60 0. 43 0. 31 0. 13V?V312308302298291图3样机2#V=f(I)实测曲线调整特性曲线的斜率就是该转速下电枢等效电阻的值。 测出的调整特性都是一条直线,表明电枢等效电阻的值与电枢电流的值基本无关,表明在这类N d
13、FeB电机中电枢反应的影响很小。不同转速的调整特性则斜率明显不同,求出的等效电阻R与转速的关系如图4所示。图4电枢等效电阻实测结果示例(样机2#)图4表明,R与转速的关系也是一条直线,说明Rc的值与转速成正比。延长到n= 0处与纵轴相交可得Ra+Rb的值,其中绕组电阻Ra容易用电桥测出。样机2#实测得:R= 8. 23+ 0. 00635n(7)可见Rc= 0. 00635n(8)样机2#定子为接法的三相绕组,相绕组电阻的值用欧姆计测得为8. 58。所以Ra= 8. 5? ?17. 0= 5. 678(9)在实验样机2#中,只要n 1300r?m in,Rc的值便超过(Ra+Rb)的和;转速升
14、高时Rc的值可以达到(Ra+Rb)的若干倍。可见,在无刷直流电动机中,仅用绕组电阻和功率管的导通电阻来表示电枢的等效电阻是不正确的;不计换向电阻Rc的影响将无法说明和计算电动机的稳态运行特性。参考文献:1J. R. Hendershot Jr. , TJEM iller. Design ofBrushlessPermanent- magnetM otorsM . M agna Physics Pub2lishing & Clarerdon Press. Oxford, 1994, 1- 14.2王宗培.永磁直流微电机M .东南大学出版社, 1992,146.3J. R. Hendershot
15、Jr. , TJEM iller. Design ofBrushlessPermanent -magnet M otors M .M agna PhysicsPublishing & Clarerdon Press . Oxford, 1994, 11- 4.4王宗培,卢道英,王晓明.永磁直流微电机电枢等效电阻的研究J .微特电机, 1988(4).5王宗培.永磁直流微电机M .东南大学出版社, 1992,147- 151.作者简介:韩光鲜(1970),男,博士研究生,从事伺服及步进驱动单元的运行分析及仿真研究。电机技术季刊 电机技术 是由上海市电机技术研究所主办,以 “电机制造应用技术” 为
16、主的科技期刊(季刊)。刊号ISSN 1006- 2807(CN 31- 1288TM)。广告经营许可证: 3101094000024。本期刊已编入 中国学术期刊(光盘版) 的理工C辑定期出版,并已在中国期刊网全文上网。我刊自1980年创刊的20年中,始终坚持为广大读者和经济建设服务的宗旨,广拓稿源,在稿件选择和审校上精益求精,力求做到准确实用,刊物质量得到不断提高,受到广大读者赞扬和欢迎。在由上海市科委和上海市新闻出版局组织的期刊评审中,获得上海市优秀科技期刊奖。电机技术 开辟的栏目有:电机设计、 技术交流、 绝缘专题、 电机试验、 双革四新、 电动车研究、 经验交流、国外文献和市场信息等。
17、为电机领域中从事研究、 试制、 生产、 经营、 管理人员及广大爱好者提供服务,并欢迎上述人员来稿。本刊热诚为生产厂家、 科研单位、 经销商及配件制造单位等服务,欢迎在本刊刊登广告。本刊每季末17日出版,大16开本,每期定价5. 30元,全年定价21. 20元,邮发代号: 4- 330。欢迎向当地邮局办理订阅手续。邮局订阅不方便者或漏订者可直接与本部联系订阅。地址:上海市物华路178号邮编: 200086电话: (021)65135110传真: (021)65624387E- mail: em teditonline. sh. cn5无刷直流电动机电枢等效电阻的实例研究韩光鲜谢占明王宗培,等 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
