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有刷直流和无刷直流 (BLDC) 电机都可以作为 发电机,这可能会让设计工程师感到非常 惊讶。有刷直流电机适用于需要直流电压 输出的发电机应用,而无刷直流电机则适用于交流 电压应用。如果将 BLDC 用于直流电压输出,则需 要使用电压整流电路。如果将有刷直流电机用于交 流输出,则需要使用直流转交流电子设备。
本文讨论了将有刷直流电机用作发电机时,转速、 电压、转矩和电流之间的基本关系。
简介
当电机的转子在磁场中旋转时,电动势会在转子绕 组上感应生成电压,我们称之为“反电动势”。反 电动势常数 (KE),以 mV/rpm 为单位,是电机规格表 中的一个指示值。反电动势 (Ui) 值与电机轴转动的 角速度 (ω) 成正比,如下所示:
将电机用作发电机时,由外部电源驱动轴进行机械 耦合和旋转,从而使转子中的线圈段通过气隙中呈 正弦变化的磁通量旋转。转子绕组每转动一圈都能 感应生成正弦电压,由转速和磁链决定电压幅值。 例如:如果转子线圈只有一圈,则感应到的电动势 为正弦曲线,周期等于一个电气周期。
有刷直流转子设计为卷绕奇数段(3、5、7……), 且通过一对刷子为线圈供电。当轴在发电模式下 旋转时,则在输出端子处测量产生的反电动势电 压。根据电机设计的特性(包括线圈段数),通 常情况下会出现电压纹波,且电压纹波小于输出 电压的 5%。
由于输出电压是轴转速的函数,因此在选择用作 发电机的电机时,选择的反电动势常数 (KE) 由于输出电压是轴转速的函数,因此在选择用作 发电机的电机时,选择的反电动势常数 。如果可实现的轴转速没 有达到足够的反电动势,只要未超过电机的最大 允许转速参数,就可以增设一个适当的齿轮减速 装置,以提高电机轴的转速。
端子电压、最大电流和负载电阻
图 1 表明,当负载 (RLoad) 未通过端子连接时,通过 电机端子 (Ui) 生成的电压与转子的角速度成正比。 在这种情况下,通过电机的电流为零。当负载通 过电机端子连接时,电流和电压的减少取决于总 负载电阻。连接负载时的端子电压 (UT) 和流经电 路的电流 (ILoad) 如下:
如果电机轴的角速度固定,则端子电压随着负载 电流的增加而减少(等式 3)。当反电动势等于端 子的电阻压降时,端子电压变为零。
图 2 显示了用作发电机的有刷直流电机的负载电 流与端子电压图。当电机端子未连接时,UT 等于 Ui,且电流不流经转子绕组。当端子短路时,流经 电路的电流达到最大,且 UT 变为零。
流经电路的电流最大值计算方式为:
当所有其他参数恒定不变时,如果电机轴角速度 增加,则图 2 中的图向右平移,斜率相同,Ui 和 IMax 增加。在等式 5 中,电机绕组的内阻 (RRotor) 是 发电机模式下最大电流的限制因素。如果 RRotor 较 高,则发电机系统的灵敏度提高,且由此产生的 电压随电流消耗的变化会造成系统不稳定。反电 动势常数更高、电阻更低的电机可实现稳定运行。
驱动转矩和功率平衡
当在发电机模式下且端子开路的情况下驱动电机 时,无电流流经电路,且机械摩擦会对驱动单元 造成损失。这种情况类似于电机空载运行。
电机的转矩 (M) 等式如下
发电机必须使用转矩驱动,而当负载电阻 (RLoad) 的 所有端子闭合时,转矩会通过绕组产生所需的负 载电流。电机的选择受限于发电机模式下可施加 在轴上的最大转矩。有刷直流电机的运行受最大 连续转矩(热和机械)以及最大连续转速(机械 和电气)的限制。选择一个可处理轴上发电机转 矩并通过其电路管理最大电流的电机,类似于根 据所需负载点确定电机尺寸的过程。
在稳定状态下,发电机的机械输入功率可表示为:
任意负载电流和端子电压下的电气输出功率可以 用图 2 所示斜杠下方的矩形区域表示。
当 UT 为 Ui 的一半时,输出功率最大。此时,负载 电流 ILoad 为最大电流 IMax 的一半。
因此
选择用于发电目的的电机时,不能只考虑功率因 素。理想情况下,PMax 应始终高于发电机所需的电 气输出功率。根据负载电流值,图 2 中的负载点 可以沿 x 轴移动。因此, 实际功率输出 (PActual) 可 能会低于 PMax。选择适当的电机用作发电机时,应 考虑 PActual 而不是 PMax。这可能需要选择额定值更 高的电机。
发电机的效率可以确定为:
选择作为发电机的电机
示例 1:本例回顾了如何选择面向发电机应用的 Portescap Athlonix 系列直流有刷电机。采用 209P 线圈的 Athlonix 系列 17 DCT 的反电动势常数为 1.17mv/RPM。电机的特性曲线如图 3 所示。如果 将该电机用作轴转速为 5,000 RPM 的发电机,则输 出反电动势为 5.85 V。(等式 1)
在短路条件下通过电路的最大负载电流为
IMax 这个值超过了电机的最大连续电流 (0.55 A)。 这对于间歇式运行来说是可以接受的,间歇式运 行是由电机的热时间常数和预期占空比决定的。 为实现发电机的持续运行,建议使用下述等式计 算负载电阻 (RLoad):
其中,ICont 是电机的最大连续电流。
所以,如果高于 3 Ω 的负载电阻可用于发电 机,则 209P 线圈非常适合输入转速最高可达 5,000RPM 的应用。如果负载电阻由于机械或技术 限制不能使用,或者如果输入转速高于 5,000RPM, 则应选择另一种线圈。例如:对于这一要求,线 圈 211P 可能是更合适的选择。
示例 2:使用 205P 线圈的 Portescap 16C18 电机的 反电动势为 0.70 mV/RPM。在 10,000 RPM 条件下, 端子处的开路输出电压为 7.0 V。
在短路条件下,可流经绕组的最大电流为
低于电机的最大连续电流 (ICont)。因此,在不考虑 外部电阻负载的情况下,将该电机用作轴转速为 10,000 RPM 的发电机是可行的。
16C18 在不同轴转速条件下的输出特性如图 4。
矩形阴影区域为连续运行区域。针对间歇式运行, 应考虑各种因素,如最大温升、最大轴转速、电 机的机械极限、发电机使用寿命等。
图 5 和 6 表明,在发动机电流更低的情况下, 16C18 的效率相对更高。在输出功率最大时,输出 效率接近 50%。最好选择工作点接近最高效率的 发电机。这可确保系统损耗最小化,且需要降低 机械输入功率,以生成所需的输出电压- 电流特性。
结论
人们经常会误认为,在发电模式下运行的有刷直流电机不像用作电机时那样高效。然而,通过选择适当的电机、负载和运行转速,可以达到相当高的效率。确定运行点时,必须始终考虑电气和机械因素。您可以向知识渊博且设计经验丰富的应用工程师咨询,以便为各种应用(如测速发电机、迫击炮射击和能量采集器)选择合适的电机。