原创无刷电机的输出特性

 2024-3-25 17:40  683 6 3 分类: 工业电子

无刷电机的输出特性：转矩和转速

电机的输出是机械能（力学），因此有“转矩”和“转速”两个指标。在本文中，将结合此前介绍过的内容为大家介绍这两项特性取决于哪些因素，以及它们之间有什么样的关系。

■无刷电机的转矩

我们先来了解“转矩”。电机的实际转矩大小还与电机的直径和长度有关，如果要详细解说，会比较复杂，所以这里将相应的元素视为“常数A”。在设计电机驱动器前需要了解的知识包括转矩取决于电磁体的磁力大小和永磁体的磁力大小，以及它们的相对角度θ。下图中给出了转矩公式。这里的电磁体的磁力等于线圈的匝数（Turns，比如缠绕30圈匝数就是30。在这里，一个线圈的匝数用“N

t/c”来表示)与电流的乘积再乘以常数B。常数B是由齿槽的大小和铁芯材料特性决定的值。另外，永磁体的磁力取决于磁体的材料和制造工艺等因素所决定的磁性能。

在这里，为了简化公式，我们将聚焦在电机特性上。这样，在这些关系式中，永磁体的磁力和匝数是恒定的。因此，如果把这些元素合在一起视为“常数C”，则输出转矩就是涉及到电流和sinθ的公式。这个关系式很重要。顺便提一下，在“无刷电机时序图的绘制方法”一文中给出的公式T=A×sinθ中电流也是恒定的（该A与上面的A值不同）。

■无刷电机的转速

接下来我们来了解电机的“转速（旋转速度）”。电机的转速是由上述的输出转矩与转动风扇等所需的负载转矩的大小关系决定的。通过以下两个物理公式即可理解。一个公式是“转矩=转动惯量×加速度（F=ma定轴转动）”，另一个公式是“速度=加速度的积分”。可见，如果输出转矩与负载转矩之间有差值，就会发生加速，速度就会变化。而这种速度变化会使输出转矩和负载转矩发生变化，当两者一致时，加速度变为零，并以该转速稳定运行。

针对转速变化会改变输出转矩这一情况，作为示例我们来思考一下当没有负载转矩（空载）时会发生什么。在上述公式中，如果负载转矩为零，则加速度a不为零，速度会逐渐增加。当然，速度不会无休止地增加下去。在这里，“速度”与“电流（决定转矩）的影响因素”是息息相关的。如下列电流计算公式所示，电流是由“施加电压减去感应电压后的值和绕组的阻抗”决定的。因此，随着转速的提高，感应电压Vbemf会提高，电流会减小并最终变为零，即加速度变为零，转速稳定。电机的转速是由这些因素相互作用决定的。

无刷电机的输出特性：电机的实际驱动状态

电机主要有三种驱动状态。一种是电机空载旋转的状态，此时的输出转矩几乎为零。第二种是负载旋转状态。这个状态可以说是电机正常使用时的状态。最后一种是堵转（固定）状态。是电机被施加了电压却不旋转的状态。除此以外，还有电机受外力作用而旋转的状态（再生状态、发电状态）、反转状态、不施加电压的状态，在这里我们仅对主要的三种状态进行说明。

■空载状态

这是一种不需要输出转矩的状态（严格地讲，因为有轴承摩擦等负载，所以还是需要转矩的）。在这种状态下，绕组电流几乎为零。电流为零意味着施加电压和感应电压值几乎相同。换句话说，可以说空载状态是转速已经上升到感应电压与施加电压同值时的状态。

当施加电压为下图所示的方波（矩形波）、感应电压为正弦波时，关于相同值是怎样的状态还有讨论余地，不过我们在这里将电流总体为零这一条件视为同值。

■负载状态

这是需要转矩来使风扇等负载旋转的状态。由于需要绕组电流来产生该转矩，因此如下图所示，感应电压比空载状态下要小。所以转速低于空载状态下的转速。

■堵转状态

这是电机不旋转、不产生感应电压的状态。在这三种状态中，堵转状态下的电流最大，转矩也最大。

为了加深大家对这些状态变化的理解，在下一篇中，将为大家介绍S-T特性和I-T特性曲线图。

无刷电机的S-T特性和I-T特性

电机的S-T特性可用横轴为电机转速、纵轴为转矩的曲线图来表示。I-T特性可用横轴为电机的绕组电流或电源电流、纵轴为转矩的曲线图来表示。这些曲线图也可以将横轴和纵轴交换显示。这些是用来了解电机特性的具有代表性的曲线图。

■S-T特性与电机状态

下图表示电机的S-T特性。如前所述，这是一张横轴表示电机转速、纵轴表示电机转矩的曲线图。该图中给出了上一篇中提到的三种电机状态在S-T特性图中所对应的位置。

S-T特性曲线因电机而异，也会随着施加电压的变化而变化。该图中列出了某电机的占空比（Duty）为100%、50%和25%时的特性。

“空载状态”对应转矩为零时的区域。此时的转速称为“空载转速”。空载转速大致与施加电压成正比变化（沿曲线图的横轴变化）。

“堵转状态”是转速为零的状态。此时的转矩是电机开始转动时的转矩，从这个意义上讲，称为“启动转矩”。该转矩也与施加电压成正比（沿曲线图的纵轴变化）。

“负载状态”是有负载转矩、且电机旋转的状态，对应上图中的三角形区域。

只要没有外力干扰，电机就会在这个范围内运行。顺便提一下，如果电机受外力影响而过度旋转，就会处于发电状态（再生状态）。另外，当电机反向旋转时，可能会产生比启动转矩更大的转矩。

■无刷电机的I-T特性

I-T特性可用横轴为电机的绕组电流或电源电流、纵轴为转矩的曲线图来表示。该图中特性曲线的斜率因电机而异。另外，当改变占空比时，绕组电流的特性曲线斜率不会变，但电源电流的斜率会发生变化。因此，在确认I-T特性时，需要知道电流曲线是什么电流的，这一点很重要。

■从S-T特性和I-T特性曲线图中可以获取的信息

从这两张特性曲线图中，可以判断电机是否可以在其使用条件下正常运行。例如，需要判断要在某个设备中使用的电机是否合适时，如果电机运行时所需的转速和转矩都在S-T特性图中三角形的范围内，则可以判断该电机规格可用，如果超出范围则可以判断该电机无法使用。

在超出范围的情况下，需要变更电源电压和电机的绕组规格。但是，这些变更也会对电机驱动器带来影响。电源电压的变更涉及到IC的耐压能力。另外，绕组规格的变更会改变I-T特性，而且会涉及到IC的驱动电流。因此，需要了解电机特性的变化对电机驱动器IC的影响。

无刷电机的规格变更和特性变化

可以通过变更电源电压和电机的绕组规格来改变电机特性。然而，如前所述，这些变更也与电机驱动器的规格有关。在设计电机驱动电路时，事先了解电机规格变更带来特性变化的原则是非常重要的。

电机的特性会受电机尺寸等因素影响而变化。即使尺寸相同，电机特性也会因绕组规格（绕组直径、匝数）和永磁体的磁力而异。通过S-T特性和I-T特性曲线图可以了解这些因素变更时的变化示例。这里给出的示例都具有提高电机效率的效果。但也是同时会导致成本上升的变更方案。另外，还可以采用不同的项目变更相结合的变更方式。

至此我们已经了解了诸如电机的转矩和转速、驱动状态、S-T特性和I-T特性、规格变更和特性变化等电机输出特性。这些都是要想很好地控制电机所需的基础知识，结合文中给出的公式和曲线图应该比较容易理解，希望大家扎扎实实地掌握好。在下一篇中，我们会进一步了解电机的输出转矩。