1、设计与研究DESIGN”RESEARCH小容量无刷直流电动机的热阻及连续功率收稿日期: 2002- 09- 16韩光鲜1,王宗培2,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:介绍了小容量无刷直流电动机(BLDCM)热阻和热导参数的含义和测量方法。给出BLDCM热阻和热导测量的实例结果,进行分析后得出热导参数随电动机几何尺寸变化的某些规律。从热导参数与连续输出功率相关的角度分析了BLDCM设计功率与几何尺寸及转速等的关系,不能单纯从电磁关系确定。关键词:无刷直流电动机;热阻;温升中图分类号: TM 381文献标识码:A文章编号
2、: 1001- 6848(2002)05- 0003- 04The Thermo- resistance and Continuous Power of Small BLDCMHAN Guang- xian1,WAN G Zong- pei2,CHEN G Zhi2(11Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China;21ZhuhaiM otion ControlM otor Co. L td. , Zhuhai 519001,China)Abstract: The paper introduced the concepts and th
3、eir correspondingmeasuringmethods of thermo- resistance andthermo -conductivity of small BLDCM.Some practical testing results of thermo -resistance and thermo -conductivity of small BLDCM are presented.Some rules between the thermo -conductivity and the physicaldi mension of BLDCM are also presented
4、. From the view of the correlation between the thermo- conductivity andcontinuos output power, the paper analyzed the relations among the rated power, the physical di mension and therated speed of BLDCM , which cannot be directly deduced from the point of electromagnetism.Key words: brushlessDC moto
5、r(BLDCM); thermo- resistance; temperature rise1引言小容量无刷直流电动机应用日广,它的各项基本技术参数都受到广泛的关注,如转矩系数、 电势系数、 绕组电感、 运行效率等。热阻(热导)表示电动机的散热能力,与电动机运行时的温升直接相关,与电动机的连续输出功率有关,也是电动机的重要参数之一。 可是在国内小电机的文章中,很少有这方面的研究和讨论。 本文不是对该问题的详细分析,只是从工程的角度对某一机座号的电动机进行实例研究,从中对小容量BLDCM的热阻(或热导)建立一些定量的概念,以及对它的一般特性的认识,对BLDCM的设计者和应用工程师都是很有益处的。
6、2绕组对环境(大气)的热阻在一些BLDCM产品目录的技术指标中,常常可以看到包含有绕组对环境的热阻Rw- a这一项,它是指BLDCM在堵转情况下绕组的温升(w)与绕组内铜损耗(Pw)之比:Rw- a=wPw?W(1)即每瓦绕组铜损引起的绕组温升值。它的倒数称为热导(+w- a):+w- a=1Rw- a=PwwW? (2)即绕组对环境单位温差时单位时间内散出的热量。可以看出,这项参数与绕组的容许温升直接决定了绕组容许的连续堵转电流,因而决定了连续堵转转矩的值。如果电动机不是堵转,在正常运行情况下,它的连续输出功率也是受到绕组容许温升的限制,只是这时同样绕组对环境的温升是由电动机的总损耗(P)包
7、括绕组铜损、 铁损、 机械损耗等决定的,与P全部集中在绕组内引起的温升会有些区别。如果定义BLDCM运行时的绕组温升与总损耗的比值为电动机的热阻(Rm),并能给出它的值,则3小容量无刷直流电动机的热阻及连续功率韩光鲜王宗培程智 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.通过这个参数来分析电动机运行问题会很方便。可是BLDCM运行时损耗分配状态不断变化,Rm便没有一个固定的值,也无法进行实际测定。小容量BLDCM的特点是表面自然冷却,电动机机壳表面对环境的温升占绕组温升的主要部分;绕组在电动机定子
8、上,与机壳之间的温差不大,热阻较小,所以电动机内部的损耗如果相同,即使分布有些变化,绕组的温升也不会有多少改变。 从这一实际情况出发,有理由用绕组对环境的热阻(Rw- a)来判断电动机运行情况下的温升,以及判断容许的连续输出功率,不会有很大的出入。基于这种分析,本文所指的电动机的热阻(或热导)都是指的Rw- a(或+w- a)。3热阻测试实例实验用的样机是珠海运控电机有限公司生产的57机座的BLDCM ,有三种长度尺寸,如图1所示。实验的目的是为了一般研究分析用,对实验的条件没有很严格的规定,实验在室温无通风条件下进行,电动机安装在公司常用的测试支架上和底板上,支架的尺寸如图2所示。图1实验样
9、机的外形尺寸图2测试支架尺寸在BLDCM的定子绕组内通以恒定直流电流(IW),测取绕组端电压(VW),VW随时间的变化反映绕组电阻的变化,从中可以得出绕组温度及温升的变化及温升的稳定值(W),它与相应输入功率VWIW的比值便是所求的绕组对环境的热阻Rw- a。应指出的是,在此绕组温升用电阻法求出,是绕组的平均温升。 机壳表面的温度用红外点温计测量,表面温度实际上不均匀,大体上中间高一些,二端较低,为了获得一个较为确定的值,实验时统一规定测取机壳上大体对应定子铁心中部的温度,所以获得的实际是机壳的最高温升(k)。绕组与机壳之间的温差(W-k)是绕组的平均温度与机壳最高温度的差,以及用它求出的绕组
10、对机壳及机壳对环境的热阻(Rw- k,Rk- a)或热导(+w- k,+k- a)都是一种工程上的参数,虽然与理论上的参数不完全一致,但便于工程实践应用,只要明确它的具体定义,便不会产生混淆,用来研究分析工程问题时一样有效。1台57BL - C- 10型电动机,三相绕组并联,通以1A恒定直流电流。测得绕组及机壳的温升曲线如图3所示。可以看出大约经过1h的时间,温升便达到稳定值,为 W= 33. 51,k= 28,对应的绕组铜损耗为26. 5W ,得:RW - a= 1. 265?W ,Rk- a=1. 057?W ,Rw- k= 0. 208?W。 应指出的是电动机的热阻参数因受电机制造工艺和
11、测试环境条件的影响,会有一定的分散性,对于某一种型号的电动机,实际上在某一数值范围内,如果要给出一个明确的值,则应测一定的台数取它们的平均值,作为例子,表1给出57BL - C型电动机的一组数据。 由此求出热阻和热导的平均值同时列于表中。图3实测温升曲线示例用同样的方法测出57 #机座另二种长度BLDCM的平均热阻参数,一起在表2中列出。热导与散热或导热的面积成正比关系,把它们的值与电动机的长度或铁心长度的关系作成曲线时,应呈线性关系。图4的横坐标用铁心的迭长表示,L= 0处的热导值表示与铁心迭长无关的热导分量,可以称为相应的端部分分量(+0),例如绕组对环境热导的端 部分量(+w- a. 0
12、),机壳对环境热导的端部分量(+k- a. 0)和绕组对机壳热导的端部分量(+w- k. 0)。随铁心长度变化的部分便称为相应的铁心部分分量(+L)。图5是热导端部分量(+0)和铁心部分分量(+L)的示意图(+0=+01+02)。于是可得:4微电机2002年第35卷第5期(总第128期) 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表157BL - C型电动机热阻参数Pw?Ww? k? Rw- a?(?W)Rk- a?(?W)Rw- k?(?W)12735. 43311. 3121. 1480.
13、164227. 435. 107301. 2811. 0950. 186326. 934. 45321. 2811. 1900. 091426. 533. 51281. 2651. 0570. 208531. 4144. 238401. 4081. 2730. 135平均值Rw- a= 1. 31(?W)Rk- a= 1. 15(?W)Rw- k= 0. 16(?W)+w- a= 0. 76(W? )+k- a= 0. 87(W? )+w- k= 6. 25(W? )表257BL型电动机的平均热阻参数型号热阻?(?W)热导?(W? )Rw- aRk- aRw- k+w- a+k- a+w- k
14、57BL - C1. 311. 150. 160. 760. 876. 2557BL - B1. 521. 330. 190. 660. 755. 2657BL - A1. 811. 570. 230. 550. 644. 31图4热导与铁心迭长的关系曲线图5热导端部分量(+0)和铁心部分分量(+L)示意图(+0=+01+02)+w- a=+w- a. 0+w- a. L=+w- a. 0+kw- aL+k- a=+k- a. 0+k- a. L=+k- a. 0+kk- aL+w- k=+w- k. 0+w- k. L=+w- k. 0+kw- kL(3)将表2的数据处理后,可得:+w- a
15、= 0. 46+ 0. 004LW? +k- a= 0. 55+ 0. 004LW? +w- k= 3. 26+ 0. 004LW? (4)上式中L为铁心迭长,用mm为单位,相应于A、B、C型电动机,L= 25mm , 50mm和75mm。代入上式或从图4曲线可以清楚地看出,当电动机的铁心迭长成倍增加时,从电磁关系来看,电动机的转矩和功率应能成比例地增大,可是它的散热能力(热导)却增加得不多。 电动机热导(或热阻)参数的这种特性,一定会影响到系列设计时电动机功率等级以及转速等的确定。4热导影响连续运行功率实例及结论图6a、b和c所表示为3台不同铁心长度BLDCM运行特性的实测曲线,它们标称的额
16、定转速 是3 000r?m in,额 定 功 率 为100 W、200 W和300 W。从特性曲线看,这3台BLDCM输出上述相应的功率没有问题,通常主要从电磁性能角度考虑也完全正确,因为三种不同长度电动机的铁心迭长成倍变化,电磁转矩也按比例增大,在转速不变情况下,得出功率成倍增大的结果是很自然的。可是如果考虑发热的限制会怎样,先考察57BL- A - 10- 30(1)型电动机,它的绕组对环境的热导为 +w- a= 0155W? ,按B级绝缘绕组平均温升容许值80计,电动机的总损耗应该不超过 2P=015580= 44W ,从图6a得相应的输出功率为9316 W ,与给定的额定值接近。用相同
17、的方法考虑57BL - B- 20- 30(1)和57BL - C- 30- 30(1),得到由发热限定的连续输出功率分别为16116W和19613 W ,与给定的额定值(200 W和300 W)相差较远。本文的实际数据和分析清楚地表明了小容量BLDCM散热能力的特点,同一机座的电动机,随着铁心迭长的增加,散热条件变差。 从电磁设计的角度出发,电动机的电磁转矩可以随铁心迭长成正比增加,在转速不变的条件下,功率和损耗(效率不变时)随着成正比增长,热导则增加较慢,温升便升高达到限定值,使得BLDCM的功率只能按散热能力增大5小容量无刷直流电动机的热阻及连续功率韩光鲜王宗培程智 1995-2003
18、Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图6运行特性曲线实例的速度增长。 为了获得更大的功率输出,从原则上讲可以从三个方面入手:提高电动机绝缘等级,例如用H级绝缘在国外的电机中较普遍。改进电动机设计,提高运行效率。改进电动机结构工艺,使热导增大。BLDCM绕组对环境的热导主要受二方面的影响,一是机壳对空气的热导,通常设计成有散热筋的机壳可增加该部分热导,另一方面是绕组对机壳之间的热导,这主要取决于绕组的结构和绝缘浸渍工艺等,本文测试用的样机绕组对机壳的散热已作了改善,热导较大,文献1中有1台57BL - A型有槽
19、电机就不一样,Rw- k较大。对BLDCM热导参数的掌握和了解,有利于正确和快速确定电动机改造设计的方案。 对于制造厂,BLDCM的基本规格总是很有限的,可是用户往往会有许多不同要求,例如转速的要求就会在很大的范围内变化,较一般的可能是每分钟几十转、 几百转、 几千转、 几万转或更高一些。从电磁关系的角度看,对于尺寸一定的电动机,内部电磁负荷基本确定的情况下,可以产生基本上一定的电磁转矩,与电动机的转速没有直接的关系,这说明电动机的输出功率可以随转速升高而成正比增大;但是从另一方面,即散热条件和容许温升的角度,则对于几何尺寸一定的电动机,散热条件和绝缘条件不变的情况下,电动机总损耗限定的值不变
20、,与电动机的转速也没有大的关系,这说明电动机的输出功率基本上不能改变(效率一定时)。实际上,几何尺寸一定的电动机,当它的输出功率受温升和散热条件限定时,只能随电动机效率的提高而增大。图7示1台转速较高,额定转速为7 500r?m in的57BL - A型BLDCM。 与额定转速3 000r?m in的电动机相比,额定转速提高到215倍,如果保持额定转矩不变,则输出功率也将增图7运行特性曲线实例至215倍。 但是前面的实例数据表明, 3 000r?m in的57BL - A型电动机,输出100 W时散热能力已没有余量,增加输出功率时除非提高效率保持总损耗不增加,否则在增大的输出功率下不容许连续运
21、行。 图7的实例表明,保持同样的损耗值,最大连续输出功率约为130 W ,比3 000r?m in的电动机提高了30%多。相应的效率为7417% ,比3 000r?m in电动机时的值(6810% )有所提高。高速电动机输出功率不随转速成比例增长时,转矩有所下降,说明电动机内部电磁负荷降低了,相应地损耗会减小,因而效率提高,当然这是在机械损耗不异常增大的条件下。 电动机受发热限定的功率与效率的关系可用下式表示:P2m=+w- awm(m1-m)(5)对57BL - A型电动机,+w- aw- m= 44 W ,P2m=f(m)的关系如图8所示。应注意的是 m指的是最大输出功率点的效率。(下转第
22、19页)6微电机2002年第35卷第5期(总第128期) 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.直流无刷起动磁电机的驱动电路如图4所示。T1T10为9014, T11T13为8050, T14T16为8550,M 1M 3为功率MOS管,A、B、C为电机三相绕组。R15R17与C2C4构成阻容吸收电路。功率MOS管为电压跟随推挽输出驱动,管耗低。系统通电时, C1上电压缓慢上升, T10截止, T4、T5、T6导通,确保各功率MOS管都处于截止状态,避免误动作损坏功率MOS管。经过几十m s
23、延时,T10导通, T4、T5、T6截止,允许电机起动。HA、HB、HC为3个霍尔元件传感器,传感器为集电极开路输出,需上拉电阻,有磁场时输出0,无磁场时输出1。假定通电后HA上先有磁场而输出0, T1截止,M 1导通,A相绕组通电,电机起动;同时经R10使T9导通,M 3不能导通,仅A相绕组通电。电机旋转,当HB上有磁场而输出0时, T2截止,M 2导通,B相通电;同时T7导通,封锁A相。同样HC上有磁场而输出0时,C相通电,由R12封锁B相。这样周而复始,电机迅速起动起来。 此电路简单、 可靠、成本低。图4直流无刷起动磁电机的驱动电路6技术指标所研制的直流无刷起动磁电机适用于AX100型摩
24、托车。电机飞轮外径112mm ,壁厚415mm ,轴向总长度80mm ,铁心长度50mm ,空气隙112mm ,磁瓦厚9mm。三相起动绕组采用 5019mm漆包线,每相有3条并联支路,每条并联支路48匝。发电绕组采用 5018mm漆包线,共56匝。其主要技术指标为:(1)起动性能起动绕组为短期工作制,配用12V、7A h铅酸蓄电池。按每30s时间间隔起动1次,每次工作6s考核。最小堵转转矩不小于: 5Nm最大堵转电流不大于: 120A空载转速不小于: 1 200r?m in(2)发电性能单相交流发电绕组为连续工作制。要求充电电流在飞轮转速为2 200r?m in时110A ,飞轮的转速为8 0
25、00r?m in时610A。参考文献:1陈益广.摩托车用直流无刷起动磁电机的设计J .微电机, 2000, (6), 6- 7.2莫会成.永磁交流伺服电动机的设计特点J .微电机,1993, (1), 6- 9. 3 EL -Sharkaw i MA. Developmentation of H ighPerformance V ariable Structure T racking Control forBrushless M otors J . IEEE T rasactions on EnergyConversion, 1991, 6(1).作者简介:陈益广(1963- ),男,硕士,副教授,研究方向电机与控制。(上接第6页)图8最大连续功率与效率的关系参考文献:1王宗培,谢占明,韩光鲜,等.无槽无刷直流电动机J .微电机, 2002, 35(4).作者简介:韩光鲜(1970),男,博士研究生,从事无刷直流电动机、 伺服及步进驱动单元的运行分析及仿真研究。91摩托车用直流无刷起动磁电机及驱动电路设计陈益广王晓远沈勇环 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
