无刷直流电机:方波驱动与正弦波驱动的区别
三相无刷直流电机绕组最普遍的是采用三相绕组,三相绕组有星形接法和三角形接法,两种方式各有优劣,航模与无人机动力无刷直流电机常用的方式为三角形接法,小尺寸电机会采用星形接法 。
无刷直流电机是电机与控制技术相结合的产品,电调控制电机的运行,从电流驱动的角度看,无刷直流电机可以分为方波驱动和正弦波驱动 。通常我们将方波驱动的电机称之为无刷直流电机(BLDC),正弦波驱动的电机称之为永磁同步电机(PMSM) 。
无刷直流电机和永磁同步电机的基本结构相同,主要区别在于控制器电流驱动方式不同 。无刷直流电机是方波电流驱动,永磁同步电机是正弦波电流驱动 。我们要将电机的气隙磁密波形与驱动电流波形相匹配,才能发挥出电机更好的性能 。因此,无刷直流电机的气隙磁密波形也要设计成方波,而永磁同步电机气隙磁密波形则要设计成正弦波 。
无刷直流电机和永磁同步电机在性能上,在转矩平稳上存在着较大的差异 。电机运行时的转矩波形有许多因素造成,齿槽效应是无刷直流电机和永磁同步电机转矩波动的共同因素 。目前减小齿槽效应的措施也有多种,常见的如定子斜槽、转子斜极、分数槽等 。在理想情况下,无论是无刷直流电机还是永磁同步电机,电流与转矩的特性曲线是呈线性变化的,不管电机运转在任何位置都不会有转矩波动 。在实际情况下,由于无刷直流电机的绕组存在电感,它妨碍了电流的快速变化 。在换相过程中,电流从最大值到最小值、最小值到最大值切换过程需要一定时间 。
因此,输入到无刷电机中的电流波形是梯形而不是矩形的 。正是这种偏离导致无刷直流电机存在换相转矩波动 。在永磁同步电机中驱动器换相转矩波动几乎是没有的,它的转矩波动主要是由电流纹波造成的,而且在高速运转时,这些纹波转矩将会随着转子的惯性过滤掉 。
永磁同步电机转矩波动要小于无刷直流电机,因此运行更细腻柔和 。但在功率密度上,无刷直流电机要比同体积的永磁同步电机高 。有前人做过计算,同体积的无刷直流电机要比永磁同步电机高出约15%的输出功率,这意味着,当两者的额定转速相同时,无刷直流电机能够获得15%的电磁转矩的增加 。如果两种电机都在恒转矩模式下运行,无刷直流电机单位电流产生的转矩要比永磁同步电机要高 。综合两种电机的特点,当使用场合对重量或空间有严格要求,且运行平稳性要求不高时,宜采用无刷直流电机,若对电机有高的稳速精度要求时,应采用永磁同步电机 。
由于正弦波永磁同步电机无论在运行原理、控制及功能上都比方波永磁同步电机更接近其他的交流电机 。永磁同步电机最基本的控制方式使矢量控制,这需要对电机的转矩和磁通进行解耦,诸多种需要实现的控制特性,如功率角、功率因素、恒磁链、最大单位电流转矩、功率和磁通的相位角、恒功率损耗以及最大效率都需要通过矢量控制器得以实现,因此相应地出现了多种控制策略 。
【无刷直流电机:方波驱动与正弦波驱动的区别】
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