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认识无刷电机之机械特性

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认识无刷电机之机械特性

发布日期:2019-05-08 作者: 点击:

无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机,又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候,产生的实用性电机就是无刷形式,即交流鼠笼式异步电动机,这种电动机得到了广泛的应用。但是,异步电动机有许多无法克服的缺陷,以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管,因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机,它克服了第一代无刷电机的缺陷。

无刷电机的机械特性是指在一定条件下,电机的转速n与转矩T之间的联系,反应了电机转矩随着转速变化的函数关系,通常是由电机的机械特性曲线来体现的。

无刷电机与直流电机有着类似的特性曲线关系式,因而与直流电机的特性曲线也非常类似。我们知道,当一个电机在特定的电压U下驱动时,其间的能量转换可用电压平衡方程式U=E+IR来表示。关系式的含义表示,电源电压U等于电机反电动势与线圈绕组损耗的电压之和。从关系式来解释电机的能量交换和机械特性就非常明显了,我们为电机提供电压来驱动电机时,由于能量的损耗,只有部分电能参与转换,当电机转速越来越快,使电机产生的反电动势与线圈上消耗的电压之和等于电源电压时,电机达到最大转速。

锂电无刷电扳手.jpg

电机依靠电磁感应原理产生安培力而转动,反电动势与转速成正比的关系,当电机转速很小时,此时的反电动势也很小,由U=E+IR可知,E很小则U-E很大,那么此状态下的电流I=(U-E)/R会非常大,当转速越来越快,反电动势E越来越大时,电流也随着转速越来越小。一个电机电流的最大时刻在反电动势E为0时刻,即转速为0的状态下,所以电机在堵转时,电流是非常大的,因而也就容易烧毁了。

一个无刷电机,虽然电流与转速成反比,但是电流却与转矩成正比的关系。当假设电机没有电感时,转速、电流、转矩之间的关系成线性变化,如下图转速-扭矩曲线所示。一个无刷电机带上螺旋桨后,我们推动油门至一个固定点,电机表现的机械形式为:转子+螺旋桨系统从静止开始逐步加速,直至转速达到最大而趋于平衡。我们已经知道,在这个过程中,转速越来越大的同时电流在越来越小,也可以说,转矩在越来越小,当电机产生的转矩逐渐小到等于负载的阻力矩时,电机达到平衡状态,速度最大。反过来我们就明白了,要想电机带动负载,必须要在启动时的转矩大于负载的阻力矩,否则,电机便不能启动,这好比一个小电机带大螺旋桨一般。当然,在实际的动力系统中,电机的三相出线还要与电调相连,相当于串联了一个外接电阻,电机中的电压会有少许压降,将会对电机机械特性有所影响,随着现代功率开关器件技术越来越好,其压降影响已经非常小了。

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