Causas de la pulsación de par de los motores CC sin escobillas
1. Pulsación de par causada por factores electromagnéticos
Este es el estator. Campo magnético de corriente y rotor La ondulación del par generada por la interacción está directamente relacionada con la forma de onda de la corriente, la forma de onda de la fuerza electromotriz inducida y la distribución de la densidad de flujo del entrehierro. Idealmente, la corriente del estator es una onda cuadrada, la fuerza electromotriz inducida es una onda trapezoidal, el ancho de la parte superior plana es de 120 grados eléctricos y el par electromagnético es constante. Sin embargo, en los motores reales, es difícil mantener la fuerza electromotriz inducida como una onda trapezoidal, o el ancho de la parte superior plana no es de 120 grados eléctricos, o la fuerza electromotriz inducida y la corriente no pueden mantener una sincronización estricta debido a una precisión insuficiente de la posición del rotor. sistema de detección y control. O la forma de onda actual se desvía de la onda cuadrada y sólo puede cambiar aproximadamente según la onda trapezoidal. La existencia de estos factores provocará pulsaciones de par electromagnético. Los métodos para suprimir la pulsación de par causada por factores electromagnéticos incluyen el método de diseño de optimización, el método del ángulo de apertura óptimo, el método de eliminación de armónicos, el método de retroalimentación de par, etc.
(1) Optimizar el método de diseño. Para los motores de CC sin escobillas, la forma del polo magnético, el ancho del arco del polo magnético y la forma del borde del arco del polo magnético tienen una gran influencia en el par electromagnético de salida. Cuando la densidad de flujo magnético del entrehierro es una onda cuadrada, es decir, cuando la forma de onda de la fuerza electromotriz inducida es una onda trapezoidal ideal, el ancho del arco polar aumenta, el par electromagnético aumenta y la ondulación del par disminuye. Cuando el ancho del arco polar alcanza π, la potencia del motor es máxima y la ondulación del par es cero. En consecuencia, elegir un diseño razonable de polo de motor y arco polar sin pulsación de par electromagnético, cambiar la forma del polo o aumentar el ancho del arco polar puede eliminar eficazmente la pulsación de par electromagnético.
(2) Método del ángulo óptimo. La pulsación de par electromagnético se puede eliminar optimizando el diseño del motor, pero también existen algunas deficiencias, como: debido a la limitación de la inductancia del devanado del motor, incluso si el motor funciona con una fuente de corriente constante, la corriente no puede muta durante el proceso de conmutación y fluye hacia el devanado del estator. La forma de onda actual no puede ser una onda rectangular. Además, para los motores reales, el campo magnético del entrehierro es difícil de mantener una distribución de onda cuadrada ideal y la forma de onda del devanado es inducida. La fuerza electromotriz no es un rectángulo ideal, por lo que el par electromagnético no se puede eliminar por completo del diseño de la pulsación del hardware. Por lo tanto, la ondulación del par sólo puede suprimirse mediante medios y estrategias de control. Si se utiliza el ángulo de apertura óptimo para suprimir la ondulación del par electromagnético, es decir, primero se deduce la relación funcional entre la ondulación del par y el ángulo de apertura, y luego se obtiene el ángulo de apertura óptimo de la corriente, de modo que la forma de onda de la corriente y la forma de onda de la fuerza electromotriz inducida puede adaptarse adecuadamente para lograr el propósito de debilitar la ondulación del par.
(3) Método de eliminación de armónicos. Dado que la corriente del estator y el campo magnético del rotor del motor de CC sin escobillas no son sinusoidales, el par electromagnético generado por su interacción contiene componentes armónicos, lo que provoca pulsaciones de par. La ondulación del par electromagnético se forma por la interacción de la corriente de fase y la fuerza electromotriz inducida. Se puede considerar la posibilidad de eliminar la ondulación del par resultante controlando los componentes armónicos de la corriente. Porque, en condiciones ideales, la interacción de los armónicos de flujo y los armónicos de corriente (excepto el tercer armónico) del motor de CC sin escobillas a la misma frecuencia puede producir un par constante y no hay par entre diferentes armónicos. Por supuesto, en situaciones reales, dado que la inductancia del motor limita la tasa de cambio de la corriente, la entrada de corriente al devanado del estator no puede ser una onda rectangular, sino que suele ser una onda trapezoidal. Además, la anchura de la parte superior plana de la forma de onda del enlace de flujo será menor que el ángulo eléctrico ideal 120, de modo que existe un cierto par armónico entre los armónicos del enlace de flujo y los diferentes armónicos de corriente. Por lo tanto, es difícil determinar la corriente armónica óptima, lo que también limita la aplicación del método de eliminación de armónicos.
(4) Método de retroalimentación de par. El método de eliminación de armónicos es un método de control de bucle abierto. Cuando la impedancia del devanado es asimétrica y el error de medición actual es igual a la perturbación, la precisión del control se verá afectada. Para superar las deficiencias del método de control de bucle abierto, se ha propuesto un método para suprimir la ondulación del par desde la perspectiva de la retroalimentación, es decir, tomar el par de control como objeto de control y realizar un control de bucle cerrado. El principio básico del método de retroalimentación de par es obtener la señal de retroalimentación de par en función de la posición y la señal de corriente a través del observador de par, y luego retroalimentarla al circuito principal del motor de CC sin escobillas a través del controlador de par para lograr tiempo real. Control del par, eliminando así la ondulación del par. Sin embargo, el método de retroalimentación de par tiene una estructura compleja, requiere que los parámetros del motor se determinen de antemano y el algoritmo es complejo, lo que dificulta su implementación.
2. Pulsación de par causada por la conmutación de corriente
Cuando el motor CC sin escobillas está funcionando, los devanados del estator conmutan en una secuencia determinada. Los cambios instantáneos de corriente se ven impedidos debido a la inductancia en cada devanado de fase. Cada vez que pasa por un estado magnético, la corriente en el devanado del inducido provoca una ondulación en el par electromagnético al cambiar de una fase a otra.
Los métodos para suprimir la ondulación del par causada por la conmutación de corriente incluyen el método de retroalimentación de corriente, el método de corriente de histéresis, el método de conmutación de superposición y el método de corte de modulación de ancho de pulso (PwM).
(1) Método de retroalimentación actual. Este método consiste en mantener constante la corriente de fase no conmutada y hacer que la ondulación del par de conmutación sea cero, porque la existencia de corriente de fase no conmutada provocará una cierta ondulación del par. En términos generales, el control de retroalimentación de corriente se puede dividir en dos formas, a saber, control de retroalimentación de corriente del lado CC y control de retroalimentación de corriente del lado CA. La señal de retroalimentación actual del control de retroalimentación de corriente del lado CC se toma del lado CC y controla principalmente la amplitud de la corriente. Debido a que el control de retroalimentación de corriente del lado de CC se basa en la señal de corriente que fluye a través de la fuente de alimentación de CC, solo se necesita un sensor de corriente para obtener la señal de retroalimentación de corriente. La señal de retroalimentación actual del control de retroalimentación de corriente del lado de CA se extrae del lado de CA. En este momento, la corriente de fase a controlar se determina según la posición del rotor para que siga el valor dado. Durante el proceso de conmutación, cuando la corriente no conmutada no alcanza un valor determinado, el control PwM no funciona; cuando la corriente no conmutada excede el valor establecido, el control PwM comienza a surtir efecto. Apague todos los dispositivos de conmutación para reducir el valor actual hasta que sea inferior al valor establecido, luego apague los dispositivos de conmutación apagados para aumentar el valor, y así sucesivamente, para ajustar la corriente de fase no conmutada hasta que se complete la fase de conmutación.
(2) Método de corriente de histéresis. Entre los métodos de control de corriente comúnmente utilizados, además de los métodos anteriores, también existe un método de control de corriente por histéresis. Su principio básico es. En el bucle de corriente se utiliza un regulador de corriente Hysresis (HcR). Comparando la corriente de referencia con la corriente real, se puede dar una señal de activación adecuada durante la conmutación. La magnitud de la corriente real y el ancho del bucle de histéresis determinan la salida de la señal de control HcR. Cuando la corriente real es menor que el límite inferior del ancho de histéresis, el dispositivo de conmutación se enciende; cuando la corriente aumenta y alcanza el límite superior del ancho de histéresis, el dispositivo de conmutación se apaga, lo que hace que la corriente disminuya. La corriente real puede ser la corriente de fase del inversor o la corriente de entrada. El método de corriente de histéresis tiene las características de aplicación simple, buena rapidez y fuerte capacidad limitadora de corriente. El método de control de corriente por histéresis se puede dividir en tres situaciones: HCR con control de corriente de fase ascendente, HCR con control de corriente no conmutada y HCR con control independiente de corriente de fase trifásica. Al comparar los efectos de estos tres métodos en la supresión de las pulsaciones del par de conmutación, se demuestra que los dos últimos casos tienen las mismas características del par de conmutación, tienen buenos efectos de supresión de las pulsaciones del par de conmutación y son adecuados para bajas velocidades.
(3) Método de conmutación de superposición. Aunque el método de retroalimentación de corriente y el método de corriente de histéresis resuelven el problema de la ondulación del par de la conmutación a baja velocidad, generalmente no son ideales a altas velocidades. En la actualidad, el método de conmutación superpuesta es un método maduro para suprimir la ondulación del par de conmutación en la sección de alta velocidad. Su principio básico es. Los dispositivos de conmutación de energía que deben apagarse inmediatamente durante la conmutación no se apagan inmediatamente, pero el intervalo de tiempo se extiende y los dispositivos de conmutación que no deben encenderse se encienden con anticipación. En el método tradicional de conmutación de superposición, el tiempo de superposición debe determinarse de antemano, pero es difícil seleccionar un tiempo de superposición apropiado y no puede minimizar la ondulación del par.
(4)Método picador PwM. El método de corte PwM es similar al método de control de retroalimentación de corriente del lado de CA, es decir, el dispositivo de conmutación corta a una cierta frecuencia antes de apagarse y después de encenderse para controlar el voltaje terminal del devanado durante el proceso de conmutación y aumentar la corriente de cada conmutación es igual a la tasa decreciente, compensa los cambios en la amplitud de la corriente total y suprime la ondulación del par de conmutación. En comparación con el método de conmutación superpuesta, este método tiene una ondulación de par más pequeña y es adecuado para ocasiones con requisitos de precisión más altos.
3. Pulsación de par causada por dentado
El núcleo del estator del motor DC sin escobillas debe tener dientes e implantes para poder colocar el devanado del estator. Debido a la existencia de ranuras para los dientes del estator, el entrehierro es desigual y el flujo magnético dentro de un paso de diente está relativamente concentrado en los dientes, lo que hace que la permeabilidad del entrehierro sea no constante. cuando el rotor gira. El campo magnético del entrehierro cambiará, provocando un par dentado. El par dentado está relacionado con la posición del rotor, lo que provoca ondulaciones del par. El par dentado es una característica inherente de los motores de imanes permanentes. Cuando el motor funciona a baja velocidad y con carga ligera, el par dentado provocará fluctuaciones obvias de velocidad, lo que provocará vibraciones y ruidos. Por lo tanto, cómo debilitar el par dentado es uno de los objetivos más importantes en el diseño de motores de imanes permanentes.
Las causas del par dentado son diferentes de las dos causas anteriores de ondulación del par. Las dos causas anteriores de la ondulación del par son la interacción entre la corriente del estator y el campo magnético del rotor, mientras que el par dentado se genera por la interacción entre el núcleo del estator y el campo magnético del rotor. Los métodos más comunes para reducir la ondulación del par dentado son los polos sesgados del estator o del rotor. Además, aumentar el entrehierro y utilizar cuñas de ranura magnéticas y fraccionarias también ayudan a reducir las fluctuaciones del par dentado. Por supuesto, la mejor manera de eliminar el engranaje es utilizar una estructura de motor sin ranuras.
No importa qué forma adopte el devanado del inducido de un motor sin ranura, su espesor siempre es parte del entrehierro real, por lo que el entrehierro equivalente real de un motor sin ranura es mucho mayor que el de un motor ranurado. , lo que requiere que la fuerza magnetomotriz de excitación también sea mucho mayor. Esto limitó las capacidades y el desarrollo de los motores sin ranura en los primeros días. En los últimos años, con el rápido desarrollo de materiales magnéticos, especialmente la aplicación de materiales magnéticos permanentes de tierras raras con alta energía magnética como el neodimio hierro boro, se han creado las condiciones para el uso práctico de motores sin ranura. Se adopta la estructura sin ranura porque también tiene un gran espacio de aire, que no solo puede eliminar por completo la pulsación de torque causada por el efecto de engranaje, sino que también debilita en gran medida la pulsación de torque causada por la reacción de la armadura y la excentricidad mecánica.
4. Pulsación de par causada por la reacción del inducido
La influencia de la fuerza magnetomotriz del inducido sobre el campo magnético principal del entrehierro se denomina reacción del inducido. La reacción del inducido de un motor CC sin escobillas es compleja. Según la naturaleza de la reacción del inducido, la fuerza magnetomotriz de la reacción del inducido se puede descomponer en un componente del eje en cuadratura y un componente del eje directo.
La respuesta de la armadura en cuadratura a la fuerza magnetomotriz distorsionará la forma de onda del campo magnético principal en el entrehierro, de modo que la intensidad de inducción magnética del campo magnético principal en el entrehierro ya no es la misma. cruz cuadrada sin carga y la fuerza electromotriz inducida también pueden producirse distorsiones. Esto da como resultado un desajuste entre la fuerza electromotriz inducida y la corriente del inducido, lo que a su vez provoca una ondulación del par. En la actualidad, todos los motores de CC sin escobillas utilizan materiales magnéticos permanentes de tierras raras de alto rendimiento. Si se utiliza el tipo de montaje en superficie en forma de losa, la influencia de la reacción de la armadura en cuadratura sobre el campo magnético principal del entrehierro será muy débil. Esto se debe a que el circuito magnético de reacción de la armadura en cuadratura pasa a través del entrehierro y el imán permanente [consulte la Figura 6 8 (a)]. La permeabilidad magnética del material del imán permanente es muy cercana a la del aire, lo que hace que la reacción de la armadura en cuadratura sea magnética. circuito La resistencia magnética es muy grande, el flujo magnético reaccionado por la armadura en cuadratura es muy pequeño y el impacto en el campo magnético principal del entrehierro es insignificante.
La fuerza magnetomotriz de reacción del inducido de eje directo primero desmagnetiza el campo magnético principal y luego aumenta el campo magnético durante la rotación del rotor, de modo que el flujo magnético total de cada polo de la carga cambia cerca del total. Flujo magnético de cada polo sin carga. De esta forma, la fuerza electromotriz inducida y el par electromagnético también cambiarán, pero el impacto no será significativo.
5. Fluctuaciones de par causadas por el procesamiento
La inconsistencia entre el procesamiento y los materiales es también una de las razones importantes de la pulsación de par de los motores CC sin escobillas. Por ejemplo, la desviación de tamaño y forma durante el procesamiento y montaje del motor, la distribución desigual de las ranuras en la lámina perforada del estator, la fuerza de tracción magnética unilateral causada por la excentricidad de los círculos interior y exterior del estator, la desalineación del estator y el rotor, el par de fricción desigual del sistema de rodamientos y el posicionamiento del sensor de posición del rotor Pulsaciones de par causadas por imprecisiones, pulsaciones de par causadas por la asimetría de los parámetros del devanado de cada fase y diferencias en los parámetros de rendimiento de los componentes electrónicos, pulsaciones de par causadas por Materiales inconsistentes de las piezas del circuito magnético, especialmente el rendimiento de los imanes permanentes. por lo tanto. Mejorar el nivel de procesamiento también es una medida importante para reducir la ondulación del par.