同步電機之永磁無刷直流電動機

永磁無刷直流電動機（Permanent magnet brushless DC motor）用電子換向裝置替代直流電動機的換向器，保留了直流電動機的優(yōu)良特性。它既具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便的優(yōu)點，又具有直流電動機起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好的優(yōu)點。近十幾年來，隨著電力電子技術(shù)、永磁材料和微機控制技術(shù)的發(fā)展，永磁無刷直流電動機得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了多種多樣結(jié)構(gòu)各異的永磁無刷直流電動機，具有廣闊的應(yīng)用前景和強大的生命力。

1 983年問世的高性能永磁材料―鉸鐵硼永磁為永磁無刷直流電動機的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。鉸鐵硼永磁材料具有高剩磁、高矯頑力和高磁能積，大大提高了永磁無刷直流電動機的功率密度和性能，而較低的磁導(dǎo)率減小了電樞反應(yīng)的影響，使繞組電感小，有利于永磁無刷直流電動機的運行，提高了電磁轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。但是，欽鐵硼永磁材料在提高電機功率密度的同時，也增大了齒槽轉(zhuǎn)矩，人們提出了許多抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，取得了較好的效果。永磁無刷直流電動機具有高效、高功率密度、高可靠性的特點，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、航空航天、電動車、精密電子儀器與設(shè)備、工業(yè)自動化等方面的應(yīng)用日益廣泛。

第一節(jié)永磁無刷直流電動機的工作原理與結(jié)構(gòu)

永磁無刷直流電動機的控制器和電機本體緊密結(jié)合，是典型的機電一體化器件，由電動機本體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成，如圖7一1所示。

一、工作原理

在永磁無刷直流電動機中，電樞繞組安放于定子鐵心中，永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測永磁磁極的位置，據(jù)此確定定子繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，使電機產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的電磁轉(zhuǎn)矩。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)永磁無刷直流電動機為例說明其工作原理，圖7一2為其工作原理圖。當(dāng)轉(zhuǎn)子位于圖7一3 ( a）所示位置時，電機處于第一個導(dǎo)通狀態(tài)，此時控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號進(jìn)行邏輯譯碼，產(chǎn)生驅(qū)動信號，使逆變電路中VTI 、 VT6導(dǎo)通，a相繞組正向?qū)ā?b相繞組反向?qū)?。永磁磁動勢Fm和定子合成磁動勢Fa的空間位置如圖7一3 ( a )所示，永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)動，電流路徑為：電源正極一VTI管～a相繞組～b相繞組一VT6管一電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過600電角度后，轉(zhuǎn)子位置如圖7一3 ( b）所示，電機處于第二個導(dǎo)通狀態(tài)。此時轉(zhuǎn)子位置傳感器信號發(fā)生變化，經(jīng)過轉(zhuǎn)子位置譯碼電路產(chǎn)生新的驅(qū)動信號，使VTI 、VTZ導(dǎo)通，a相繞組正向?qū)ā?c相繞組反向?qū)?。永磁磁動勢Fm與電機定子合成磁動勢Fa的空間位置如圖7一3 ( b）所示，電機產(chǎn)生順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向轉(zhuǎn)動，電流路徑為：電源正極一VTI管一a相繞組～。相繞組～VTZ管～電源負(fù)極。以此類推，電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過600電角度，繞組改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，其導(dǎo)通順序為：可見，轉(zhuǎn)子位置變化后，控制電路總能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息改變定子繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動。表7一1給出了兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)導(dǎo)通工作方式下的繞組導(dǎo)通順序表。

從運行過程看，定子繞組每隔60 ”電角度換向一次，定子合成磁動勢位置就改變一次，每相繞組每次導(dǎo)通120 “電角度，且始終保持兩相繞組導(dǎo)通，此工作方式稱為兩相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)運行方式。該方式中，每一狀態(tài)持續(xù)600電角度，在此期間定子繞組合成磁動勢空間位置固定不動，而永磁磁極連續(xù)旋轉(zhuǎn)600電角度，定子磁動勢為跳躍式旋轉(zhuǎn)磁動勢，使定轉(zhuǎn)子磁動勢之間的空間夾角周期性變化，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動，這將在后面詳細(xì)討論。