無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)工作效率研究

國(guó)紹文，魏國(guó)豐，王 巍，陳佳瑩

(黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)工作效率研究

國(guó)紹文，魏國(guó)豐，王 巍，陳佳瑩

(黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

為研究提高無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)工作效率的方法，以無(wú)刷直流電機(jī)及其控制器作為驅(qū)動(dòng)組件，采用電磁制動(dòng)器作為可調(diào)負(fù)載構(gòu)建一個(gè)電機(jī)效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上研究無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載大小對(duì)其工作效率的影響。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)效率表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，效率也會(huì)隨之升高。低負(fù)載低速時(shí)，效率較低。 因此，研究低速輕載條件下提高無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)工作效率的控制方法對(duì)節(jié)能是很有必要的。

無(wú)刷直流電機(jī)；效率測(cè)試；可調(diào)負(fù)載；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

隨著高性能永磁材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)特別是大功率半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)得到了迅速的發(fā)展[1]。由于其調(diào)速性能優(yōu)越，且體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、不存在勵(lì)磁損耗問(wèn)題，因此，在各個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)是具有梯形波反電勢(shì)的永磁同步電機(jī)，與具有正弦波反電勢(shì)的傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)(PMSM)相比具有明顯的優(yōu)越性[2]，能夠使電機(jī)和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮。

無(wú)刷直流電機(jī)是一種高效率的電機(jī)，但隨著所處電機(jī)系統(tǒng)工況的不同，其效率也不是總能維持在較高水平，會(huì)受到許多因素的影響[3]。本文利用市場(chǎng)上出售的無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)組件，電磁制動(dòng)器作為可調(diào)負(fù)載構(gòu)建一個(gè)電機(jī)效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載大小與效率間的作用關(guān)系進(jìn)行研究，為無(wú)刷直流電機(jī)的節(jié)能控制奠定基礎(chǔ)。

1 功率特性理論分析

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制器和電機(jī)本身緊密結(jié)合，是典型的機(jī)電一體化器件。它由電動(dòng)機(jī)本體、控制驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件三部分組成，控制驅(qū)動(dòng)部分通常由控制器和逆變驅(qū)動(dòng)電路組成[4]，具體如圖1所示?？刂破鞲鶕?jù)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信息產(chǎn)生正確的逆變器觸發(fā)信號(hào)，控制逆變驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)，從而使得電機(jī)的各項(xiàng)繞組通過(guò)時(shí)序和幅值的梯形波電流做出符合預(yù)期的動(dòng)作。

圖1 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

理論上，電動(dòng)機(jī)的效率定義為

(1)

式中：Pin為電動(dòng)機(jī)的電輸入功率，且Pin=UI，U為外加電壓(V)，I為電樞電流(A)；Pout為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出功率。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能過(guò)程中出現(xiàn)的功率損失主要分為四個(gè)方面：

1)電樞繞組銅耗pCu。若電樞即電阻為R，則

pCu=RI2.

(2)

2)鐵心損耗pFe。鐵芯損耗包括磁滯損耗和渦流損耗，它與磁通量密度的平方成正比。

3)機(jī)械損耗pfw。機(jī)械損耗主要包括電機(jī)系統(tǒng)中的摩擦和氣動(dòng)阻尼因素引起的功率損耗。

4)雜散損耗pSt。電機(jī)系統(tǒng)中所有不屬于上述三種類(lèi)型的損耗部分稱(chēng)為雜散損耗，對(duì)大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這部分損耗約占總負(fù)載的1%，但具體數(shù)值很難精確獲得。因此有

Pin=Pout+pFe+pfw+pSt+pCu.

(3)

由式(1)、式(3)可知

(4)

根據(jù)電機(jī)的基本方程可知電磁轉(zhuǎn)矩

Tem=CTΦI.

(5)

式中:Tem為電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)，CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φ為每極氣隙磁通(Wb)。綜合式(4)、式(5)可得

(6)

考慮到電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定工作過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩Tem與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL處于平衡狀態(tài),因此,可將式(6)變換為

(7)

由式(7)可知，盡管很難利用一個(gè)確切的函數(shù)把負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與效率η間的關(guān)系準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái)，但負(fù)載增大,系統(tǒng)效率會(huì)提高的趨勢(shì)還是顯然的[5]。

另外，無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性是指外加額定電壓U時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間的關(guān)系，具體為

(8)

式中:Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。綜合式(6)、式(7)、式(8)可知在電壓恒定條件下，隨著轉(zhuǎn)速增加，效率會(huì)降低。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行研究和分析。

2 功率特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是本文研究工作的基礎(chǔ)，綜合考慮與其測(cè)試結(jié)果的通用性、代表性緊密相關(guān)的諸多方面的要求，本文選用市場(chǎng)上出售的無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)組件，電磁制動(dòng)器作為可調(diào)負(fù)載構(gòu)建的無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)功能架構(gòu)

2.1.1 可調(diào)負(fù)載模塊

可調(diào)負(fù)載模塊的核心部件是電磁制動(dòng)器，它可以在電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中提供穩(wěn)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的大小通過(guò)改變激磁電流實(shí)現(xiàn)[6-7]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用瑞安市國(guó)信電子設(shè)備廠生產(chǎn)的GXFZ-A-6型單軸磁粉制動(dòng)器。制動(dòng)器性能測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，測(cè)試儀器為樂(lè)清愛(ài)德堡儀器有限公司的HP-100型數(shù)字扭矩測(cè)試儀。

圖3 制動(dòng)器性能測(cè)試系統(tǒng)

多次測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值及對(duì)其擬合后的性能曲線如圖4所示。

圖4 制動(dòng)器性能測(cè)試曲線

2.1.2 機(jī)械連接

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的機(jī)械連接部分以圖2中的基座為主體，電機(jī)與位置傳感器組件和可調(diào)負(fù)載模塊分別通過(guò)支板固定在基座上，電機(jī)的輸出軸與可調(diào)負(fù)載模塊的輸出軸通過(guò)柔性聯(lián)軸器連接在一起傳遞轉(zhuǎn)矩。

2.1.3 電機(jī)及其控制器

無(wú)刷直流電機(jī)型號(hào)為57BL90-230，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的電機(jī)控制器是無(wú)刷直流電機(jī)廠家設(shè)計(jì)的通用控制驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為ZD-6716-V3，代表當(dāng)前無(wú)刷電機(jī)通用控制器的主流技術(shù)水平。

2.2 功率測(cè)試系統(tǒng)

功率測(cè)試系統(tǒng)功能模塊組成如圖5所示。功率因數(shù)測(cè)試儀表選用優(yōu)利德UT-71E數(shù)字多用表，開(kāi)關(guān)型直流電源為交流220 V輸入，直流24 V輸出。系統(tǒng)實(shí)物照片如圖6所示。

圖5 功率測(cè)試系統(tǒng)組成

圖6 功率測(cè)試系統(tǒng)

3 結(jié)果與討論

利用功率特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)得了電機(jī)系統(tǒng)在多種負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)的功率因數(shù)，具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 功率特性測(cè)試結(jié)果

圖7中的曲線趨勢(shì)同式(7)的分析結(jié)果是一致的，即轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)效率整體上表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，效率沒(méi)有隨之降低，而是升高了，這與式(8)的分析結(jié)果是不一致的。通過(guò)詳細(xì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，這種情況的出現(xiàn)是由于式(8)與功率特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前提條件不同造成的。根據(jù)式(8)分析出隨著轉(zhuǎn)速增加，效率會(huì)降低的特性是在外加額定電壓這一前提下得到，即工作電壓是不變的。而功率特性測(cè)試平臺(tái)通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速，其實(shí)際工作電壓是變化的，因此，式(8)的分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線不一致也就正常了。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文選用市場(chǎng)上出售的57BL90-230型無(wú)刷直流電機(jī)及配套的ZD-6716-V3型驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)組件，GXFZ-A-6型單軸磁粉制動(dòng)器作為可調(diào)負(fù)載構(gòu)建了無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用優(yōu)利德UT-71E數(shù)字多用表對(duì)上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不同負(fù)載工況下的工作效率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)合理論分析研究了負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)工作效率的影響。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)效率整體上表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，效率也會(huì)隨之升高。由此可知，在滿載高速條件下使用無(wú)刷直流電機(jī)可以更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，而低速輕載條件下系統(tǒng)的效率是比較低的，因此，研究低速輕載條件下提高無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)工作效率的控制方法具有比較重要的實(shí)際意義。

[1]鄭吉,王學(xué)普.無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)綜述[J].微特電機(jī),2002(3):11-13.

[2]MASATAKA A K M.Efficiency comparison between Brushless dc motor and Brushless AC motor considering driving method and machine design[J].Proceedings:IECON 2011-37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,2011:1830-1835.

[3]張昊,殷強(qiáng).電機(jī)效率測(cè)試技術(shù)的研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2012,39(5):41-44,54.

[4]馬秀娟,劉金鳳.基于遺傳算法的感應(yīng)電機(jī)效率優(yōu)化控制研究[J].微電機(jī),2013,46(10):36-40.

[5]李紅,王春梅.提高電機(jī)效率的措施[J].煤礦機(jī)械,2013,34(8):232-234.

[6]劉京亮,宋影，劉飛，等.磁粉制動(dòng)器加載特性研究[J].航空精密制造技術(shù),2013,49(2):52-56.

[7]賈利華,毛俐麗.磁粉制動(dòng)器制動(dòng)力矩穩(wěn)定化處理[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù),2009,17(4):48-51.

Research on the work efficiency of brushless DC motor system

GUO Shao-wen,WEI Guo-feng,WANG Wei,CHEN Jia-ying

(College of Electromechanical Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

In order to research the methods to increase the efficiency of motor system,the experimental rig has been designed for motor efficiency test.The equippment includes driving sub-unit and adjustable load.The driving sub-unit consists of brushless direct current (BLDC) motor and controller.The magnetic brake is adopted as a adjustable load.Based on the experimental rig,the motor system efficiency affected by the rotation rate and the load is researched.The results indicate that the system efficiency has an upward tendency with increase of load when the rotation rate is constant and with increase of rotation rate when the load torque is constant.But the system efficiency is poor if the system works as lower rotation rate or load torque.Therefore,it is necessary for energy saving to increase the efficiency of motor system.

brushless DC motor; efficiency test; adjustable load; experimental rig

2014-05-26

黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E201141)；黑龍江省教育廳資助項(xiàng)目(12511443)；黑龍江工程學(xué)院博士基金資助項(xiàng)目(2009BJ02)

國(guó)紹文(1973-)，男，講師，研究方向：機(jī)電控制及自動(dòng)化.

TM306

A

1671-4679(2014)06-0025-04

郝麗英]