國紹文，魏國豐，王 巍，陳佳瑩

(黑龍江工程學院 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

無刷直流電機系統(tǒng)工作效率研究

國紹文，魏國豐，王 巍，陳佳瑩

(黑龍江工程學院 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

為研究提高無刷直流電機系統(tǒng)工作效率的方法，以無刷直流電機及其控制器作為驅動組件，采用電磁制動器作為可調負載構建一個電機效率測試實驗平臺，并在此基礎上研究無刷直流電機系統(tǒng)的轉速、負載大小對其工作效率的影響。結果表明：轉速不變時，隨著負載的增加，系統(tǒng)效率表現(xiàn)為增加的趨勢。負載轉矩不變時，隨著轉速的提高，效率也會隨之升高。低負載低速時，效率較低。 因此，研究低速輕載條件下提高無刷直流電機系統(tǒng)工作效率的控制方法對節(jié)能是很有必要的。

無刷直流電機；效率測試；可調負載；實驗平臺

隨著高性能永磁材料、微電子技術、自動控制技術和電力電子技術特別是大功率半導體器件的快速發(fā)展，永磁同步電機得到了迅速的發(fā)展[1]。由于其調速性能優(yōu)越，且體積小、重量輕、效率高、轉動慣量小、不存在勵磁損耗問題，因此，在各個領域具有廣闊的應用前景。無刷直流電機(BLDCM)是具有梯形波反電勢的永磁同步電機，與具有正弦波反電勢的傳統(tǒng)永磁同步電機(PMSM)相比具有明顯的優(yōu)越性[2]，能夠使電機和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮。

無刷直流電機是一種高效率的電機，但隨著所處電機系統(tǒng)工況的不同，其效率也不是總能維持在較高水平，會受到許多因素的影響[3]。本文利用市場上出售的無刷直流電機及其驅動器作為驅動組件，電磁制動器作為可調負載構建一個電機效率測試實驗系統(tǒng)，并在此基礎上對無刷直流電機系統(tǒng)的轉速、負載大小與效率間的作用關系進行研究，為無刷直流電機的節(jié)能控制奠定基礎。

1 功率特性理論分析

永磁無刷直流電機的控制器和電機本身緊密結合，是典型的機電一體化器件。它由電動機本體、控制驅動部分和轉子位置檢測元件三部分組成，控制驅動部分通常由控制器和逆變驅動電路組成[4]，具體如圖1所示。控制器根據(jù)轉子位置檢測信息產生正確的逆變器觸發(fā)信號，控制逆變驅動電路開關管的工作狀態(tài)，從而使得電機的各項繞組通過時序和幅值的梯形波電流做出符合預期的動作。

圖1 永磁無刷直流電動機的工作原理

理論上，電動機的效率定義為

(1)

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

無刷直流電動機在將電能轉換成機械能過程中出現(xiàn)的功率損失主要分為四個方面：

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

4)雜散損耗pSt。電機系統(tǒng)中所有不屬于上述三種類型的損耗部分稱為雜散損耗，對大多數(shù)機械系統(tǒng)來說，這部分損耗約占總負載的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)電機的基本方程可知電磁轉矩

Tem=CTΦI.

(5)

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

(6)

考慮到電機系統(tǒng)穩(wěn)定工作過程中電磁轉矩Tem與負載轉矩TL處于平衡狀態(tài),因此,可將式(6)變換為

(7)

由式(7)可知，盡管很難利用一個確切的函數(shù)把負載轉矩TL與效率η間的關系準確表達出來，但負載增大,系統(tǒng)效率會提高的趨勢還是顯然的[5]。

另外，無刷直流電機的機械特性是指外加額定電壓U時，電動機轉速n與電磁轉矩Tem之間的關系，具體為

(8)

式中:Ce為電動勢常數(shù)。綜合式(6)、式(7)、式(8)可知在電壓恒定條件下，隨著轉速增加，效率會降低。本文通過實驗測試進行研究和分析。

2 功率特性測試實驗平臺

2.1 電機實驗平臺

電機實驗平臺是本文研究工作的基礎，綜合考慮與其測試結果的通用性、代表性緊密相關的諸多方面的要求，本文選用市場上出售的無刷直流電機及其驅動器作為驅動組件，電磁制動器作為可調負載構建的無刷直流電機實驗平臺的功能架構如圖2所示。

圖2 實驗測試平臺功能架構

2.1.1 可調負載模塊

可調負載模塊的核心部件是電磁制動器，它可以在電機持續(xù)轉動過程中提供穩(wěn)定的負載轉矩，轉矩的大小通過改變激磁電流實現(xiàn)[6-7]。實驗平臺選用瑞安市國信電子設備廠生產的GXFZ-A-6型單軸磁粉制動器。制動器性能測試系統(tǒng)如圖3所示，測試儀器為樂清愛德堡儀器有限公司的HP-100型數(shù)字扭矩測試儀。

圖3 制動器性能測試系統(tǒng)

多次測試數(shù)據(jù)的平均值及對其擬合后的性能曲線如圖4所示。

圖4 制動器性能測試曲線

2.1.2 機械連接

實驗測試平臺的機械連接部分以圖2中的基座為主體，電機與位置傳感器組件和可調負載模塊分別通過支板固定在基座上，電機的輸出軸與可調負載模塊的輸出軸通過柔性聯(lián)軸器連接在一起傳遞轉矩。

2.1.3 電機及其控制器

無刷直流電機型號為57BL90-230，進行實驗測試的電機控制器是無刷直流電機廠家設計的通用控制驅動器，型號為ZD-6716-V3，代表當前無刷電機通用控制器的主流技術水平。

2.2 功率測試系統(tǒng)

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

圖5 功率測試系統(tǒng)組成

圖6 功率測試系統(tǒng)

3 結果與討論

利用功率特性測試實驗平臺測得了電機系統(tǒng)在多種負載轉矩條件下，不同轉速時的功率因數(shù)，具體結果如圖7所示。

圖7 功率特性測試結果

圖7中的曲線趨勢同式(7)的分析結果是一致的，即轉速不變時，隨著負載的增加，系統(tǒng)效率整體上表現(xiàn)為增加的趨勢。負載轉矩不變時，隨著轉速的提高，效率沒有隨之降低，而是升高了，這與式(8)的分析結果是不一致的。通過詳細對比可以發(fā)現(xiàn)，這種情況的出現(xiàn)是由于式(8)與功率特性測試實驗平臺的前提條件不同造成的。根據(jù)式(8)分析出隨著轉速增加，效率會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。而功率特性測試平臺通過脈寬調制信號來實現(xiàn)對無刷直流電機調速，其實際工作電壓是變化的，因此，式(8)的分析結果與實驗測試曲線不一致也就正常了。

4 結束語

本文選用市場上出售的57BL90-230型無刷直流電機及配套的ZD-6716-V3型驅動器作為驅動組件，GXFZ-A-6型單軸磁粉制動器作為可調負載構建了無刷直流電機實驗平臺，利用優(yōu)利德UT-71E數(shù)字多用表對上述實驗平臺不同負載工況下的工作效率進行了測試，結合理論分析研究了負載轉矩和電機轉速對系統(tǒng)工作效率的影響。實測結果顯示，轉速不變時，隨著負載的增加，系統(tǒng)效率整體上表現(xiàn)為增加的趨勢。負載轉矩不變時，隨著轉速的提高，效率也會隨之升高。由此可知，在滿載高速條件下使用無刷直流電機可以更好地實現(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刷直流電機系統(tǒng)工作效率的控制方法具有比較重要的實際意義。

[1]鄭吉,王學普.無刷直流電機控制技術綜述[J].微特電機,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.電機效率測試技術的研究[J].電機與控制應用,2012,39(5):41-44,54.

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

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

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

[7]賈利華,毛俐麗.磁粉制動器制動力矩穩(wěn)定化處理[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護,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

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

國紹文(1973-)，男，講師，研究方向：機電控制及自動化.

TM306

A

1671-4679(2014)06-0025-04

郝麗英]