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无刷电机的机械特性

文章出处:x-teamrc.cn   人气:   发表时间:2019-11-14 15:11

  无刷电机的机械特性
 
  无刷电机的机械特性是指在一定的条件下,电机的转速n与转矩T直接的T-n曲线的关系,这是一个函数关系,n=f(T)。
 
  转速特性:
 
  n=60·E/N·Φ=60·(U-I·R)/N·Φ
 
  机械特性:
 
  n=n0·(1-T/Td)=n0-R·T/Kt·Ke=n0-Kt·T
 
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  无刷电机的机械特性曲线
 
  无刷电机有二个非常重要的常数,,分别是:
 
  转矩常数Kt
 
  反电动势常数Ke
 
  这些常数代表了无刷电机的内部基本特征和由这些基本特征所产生的无刷电机的机械特性,分析和研究无刷电机的这些常数对于电机设计人员在电机设计中的非常重要的。
 
  无刷电机的转矩常数Kt
 
  Kt=T´/I=N·Φ/2·π
 
  从Kt=T´/I可知,电机在单位电流内所产生的转矩,或者是给电机一定转矩就决定了电机需要多少电流。电机的Kt越大,单位电流所产生的转矩就越大。电机的Kt越大,电机产生一定转矩所需要的电流就越小。这是电机的转矩常数Kt与电机的机械特性之间的联系所在。
 
  从Kt=N·Φ/2·π可知,如果要求某电机达到指定的转矩常数,只要使N与Φ的乘积达到预定值就可以了。一旦电机定子的磁钢确定了,则电机的磁通是一个定值,那么电机电枢通电有效绕组匝数W=N/2的多少就决定了电机的Kt,即电机的外部特性可以随电机电枢通电有效绕组匝数N/2的多少而改变。反过来讲,电机的电枢绕组确定了后,电机的机械特性可随电机定子的磁钢磁通的大小而改变。所以只要抓住电机的N,Φ,那么就抓住了电机设计的关键因素。而N与Φ是电机的“硬特征”,因此,电机的转矩常数Kt是电机设计中的关键常数。
 
  不管是无刷电机或其他电机,公式T´=N·Φ·I/2·π都是适用的,公式中一方面是N与Φ交链,另一方面是N与I交链,从而使线圈导体N产生相应的转矩T´,由线圈导体完成电机变成机械能的转换。公式T´=N·Φ·I/2·π是电机设计的主要内容和研究课题。
 
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  T-I机械特性曲线
 
  从机械特性曲线可知,Kt=T´/I=ctanα=△T/△I=T/(I-I0)
 
  无刷电机的反电动势常数Ke
 
  感应电动势E=N·Φ·n/60·a,如果a=1,则感应电动势常数:
 
  Ke=E/n=N·Φ/60
 
  感应电动势常数Ke表示电机在单位转速时能产生的感应电压,在电动机中,称为反电动势常数。可以从公式中看出:反电动势常数是N与Φ的乘积,如果要求某电机达到指定的反电动势常数,只要N与Φ的乘积达到预定值就可以了。一个无声电机定子的磁钢材料是确定的,则Φ是定值,电机电枢工作绕组匝数W=N/2的多少就决定了Ke,电机的外部特性可以随电机电枢工作绕组匝数W=N/2的多少而改变,反过来讲,电机的电枢绕组确定之后,电机的机械特性可随电机定子的磁钢磁通大小而改变。
 
  当电机a确定以后,Ke仅与N与Φ这两个变量有关,所有电机的性能主要与电机内部的N与Φ有关,电机的Ke是电机设计中的关键常数。
 
  Kt=N·Φ/2·π,Ke=N·Φ/60,所以Kt=9.5493Ke
 
  Kt与Ke在数值上仅相差一个系数,求出了Kt也就求出了Ke。
 
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  U-n机械特性曲线
 
  Ke=E/n=U/n´0=N·Φ/60
 
  n´0=60·U/N·Φ,理想空载转速仅与电机电压和磁链有关。
 
  U0是电机的始动电压,Un是电机的额定电压,E=Un-U0,
 
  Ke=U/n´0=△U/△n=E/n,
 
  n=E/Ke电机某点的转速仅和电机Ke和电机反电动势有关。
 
  这里的E是电机在该转速时线圈产生的电动势,称之为反电动势。U=E+I·R,电机的电阻越小,则E越接近电机输入电压U,当电机的电阻等于零时,则E=U。当电机的内阻等于零时,不管电机接受的转矩大小,电机的转速n恒等于电机的理想空载转速n´0,它是平行于x轴的一条直线。电机的内阻越大,则该线越倾斜,即电机的转速就越往下跌,其特性就越“软”。因此n´0或电机的反电动势常数Ke决定了电机转速的上限。因为Kt=9.5493Ke,因此Kt等效地决定了电机转速的上限。
  在电机测试的无刷机械特性曲线中,电机的反电动势E是无法显示的,无刷电机的机械特性T-n曲线不是一条理想的直线,各点的Ke=△U/△n并不是恒值,只有在Ke=U/n´0的情况下才与Ke=N·Φ/60有直接的关联,此时,电机是在没有损耗的情况下,电机的阻抗和感抗为零,这相当于电机的发电机无负载状态:
 
  Ke=E/n=U/n´0=N·Φ/60
 
  这个公式的意义比较大,就是说电机在理想空载转速n´0状态时,电机的E与U相等,Φ是电机的空载磁通。一般的无刷电机的效率比较高,电机的理想空载转速和实际空载转速相差不大,可以用Ke=U/n0=N·Φ/60来表示电机的内部和外部特征之间的关系,非常单纯,这样不像Kt=T/(I-I0)还涉及电机的阻抗和感抗给电流带来的影响。
 
  Φ是电机的理想空载时的工作磁通,即相当于电机的空载磁通,求取电机的机械特性,只要求出电机的空载磁通而不需要求出电机的负载时的工作磁通。就是说在求解电机的工作磁通不需要用磁铁工作图求取电机的额定工作磁通,只要求出电机的空载磁通,这样给无刷电机实用设计带来了极大的方便。
 
  电机的转速计算
 
  电机任意点的转速:
 
  n=n0·(1-T/Td)=n0-R·T/Kt·Ke
 
  这个公式对于求取电机转速,很方便,关系很简单。

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