同步電機之關于永磁無刷直流電動機的應用

    永磁無刷直流電動機具有閉環(huán)系統(tǒng)有刷永磁直流電動機的所有特性，但永磁無刷直流電動機體積小、重量輕、換向性能好、效率高，所以這種電動機被廣泛地應用到高級家用電器設備、汽車、計算機外部設備及空間技術等場合。永磁無刷直流電動機是一種新型機電一體化高技術產(chǎn)品，隨著大功率電子驅(qū)動模塊的出現(xiàn)以及NdFeB永磁材料性能的提高和新型永磁材料的出現(xiàn)，這種電動機廣泛的應用在航天航海、軍工及民用的各個領域。就電動機本體而言，它的結構卻是一個同步電動機，但因其特性具有直流電動機特性，而且又用直流電源驅(qū)動，所以常常把這一電機系統(tǒng)簡稱為永磁無刷直流電動機。

永磁無刷直流電動機有矩形波（也常被稱為方波）和正弦波兩種形式，根據(jù)2008年1月發(fā)布的最新（（永磁無刷電動機系統(tǒng)通用技術條件》國家標準GB /TZ1418一2008規(guī)定統(tǒng)一定義：驅(qū)動電路的驅(qū)動電流為方波的電動機通常稱為永磁無刷直流電動機，驅(qū)動電路的驅(qū)動電流為正弦波的電動機通常成為永磁交流伺服電動機；按電動機傳感器類型可分為有傳感器電動機和無傳感器電動機。本書只側重分析永磁無刷直流電動機作為驅(qū)動電機的原理及應用。

8 . 2永磁無刷直流電動機的基本關系式

8 . 2 . 1數(shù)學模型

無刷直流電動機實質(zhì)為自控同步運轉(zhuǎn)的永磁同步電動機，其數(shù)學模型基于同步電動機的分析方法。由于兩相導通星形六狀態(tài)工作方式最為常用，我們以此方式為例分析三相無刷直流電動機的數(shù)學模型。分析時對理想的無刷直流電動機作如下假設：

l）三相繞組完全對稱，氣隙磁場為矩形波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；

2）由于定子無槽，忽略齒槽、換相過程和電樞反應等的影響；

3）電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；

4）定子電流為三相對稱120 "（電角度）的矩形波，定子繞組為600相寬的集中整距繞組。在理想情況下，由矩形波氣隙磁通與矩形波定子電流相互作用，三相合成產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩紋波?；蛘哒f，由于供電電流為矩形波，為了減少轉(zhuǎn)矩紋波，永磁直流無刷電動機的氣隙磁感應強度波形也應該是矩形

波分布。定子三相對稱繞組的相電壓方程為。

   無刷直流電動機采用高電阻率、低磁導率的NdFeB磁鋼表面貼裝結構，轉(zhuǎn)子感應電流可忽略，等效氣隙大，為隱極電動機特性。式（8一l）可展為。

8 . 2 . 2穩(wěn)態(tài)性能簡化分析

以兩相導通星形六狀態(tài)為例，分析無刷直流電動機的穩(wěn)態(tài)特性。為便于分假設不考慮開關器件開關動作的過渡過程及電樞繞組的電感。l）電樞繞組的感應電動勢設電樞繞組導體的有效長度為L ,導體的線速: ( m / s )，則單根導體在氣隙磁場中感應電動勢。（V）為度為。

    無刷直流電動機氣隙主磁通的分布波形如圖8一ga所示，為簡化分析，可將它近似為梯形波；為了減小轉(zhuǎn)矩脈動，反電動勢波形的平頂寬度應大于120 “電角度，如圖8一b所示。設電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為N 。，則每相繞組的感應電動勢幅值E 。（V）為。

8 . 2 . 3正弦波永磁無刷直流電動機基本關系的特點

無刷永磁直流電動機一般常用的永磁材料勵磁，其氣隙磁場很難形成矩形波分布，一般均是梯形波，在電樞繞組中感應的電動勢也只是近似正弦波，因而其基本公式的推導是建立在轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生氣隙磁場感應強度按正弦分布，繞組感應電動勢也按正弦分布的基礎之上的。而在實際電動機設計中一般都采取了近似處理，即忽略氣隙磁感應強度和反電動勢的高次諧波，掌握了基波的電磁關系，也就掌握了電動機的基本功能和特性，因而在正弦波無刷永磁直流電動機設計中得到廣泛的應用。但是，如果把這種假定方法用來設計矩形波無刷永磁直流電動機則會產(chǎn)生較大誤差。表8一1 、表8一2中給出了無刷永磁矩形波和正弦波直流電動機計算公式和波形對照，從中可看出兩者差別。