永磁同步電機(jī)之永磁直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性

永磁直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要用途是作為控制用電動(dòng)機(jī)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，如永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)等。前者將輸入的電壓信號(hào)變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出；后者能夠長(zhǎng)期處于堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下工作并輸出大轉(zhuǎn)矩，可以不經(jīng)過(guò)齒輪等減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。對(duì)于這類(lèi)用途的永磁直流電動(dòng)機(jī)，往往對(duì)其動(dòng)態(tài)性能有嚴(yán)格的要求。一般要求電機(jī)具有優(yōu)良的快速響應(yīng)特性，即要求電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比大；調(diào)速范圍寬；另外還要求電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，低速運(yùn)行平穩(wěn)．

1永磁直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程

為了滿足自動(dòng)控制系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求，當(dāng)電壓控制信號(hào)改變時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化能迅速跟上控制信號(hào)的改變，就要求電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程越短越好。永磁直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電瞬變過(guò)程。在整個(gè)機(jī)電過(guò)渡過(guò)程中，電氣過(guò)渡過(guò)程和機(jī)械過(guò)渡過(guò)程同時(shí)存在，兩者交疊在一起，又相互影響。

永磁直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程如下：。

2永磁直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)和時(shí)間常數(shù)

對(duì)式（5 -53 ) 與 ( 5一56）進(jìn)行拉普拉斯變換，并令全部初始條件為零，整理可得：以外施電壓U ( '）和負(fù)載轉(zhuǎn)矩T ,為輸入量，以角速度（,）為輸出量，由式（5-57 )和 ( 5一60）可作出永磁直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程框圖，如圖5一30所示。由圖可見(jiàn)，永磁直流電動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引入了與電動(dòng)機(jī)角速度成正比的負(fù)反饋信號(hào)，增加了系統(tǒng)的有效阻尼。

通常，由于電樞繞組電感幾很小電氣時(shí)間常數(shù)乙與機(jī)械時(shí)間常數(shù)‘相比要小得多，所以往往可以略去電動(dòng)機(jī)的電氣過(guò)渡過(guò)程，即近似認(rèn)為：此時(shí)電壓一角速度傳遞函數(shù)變?yōu)?。影響電?dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)的因素很多，除了電磁參數(shù)以外，機(jī)械參數(shù)也對(duì)時(shí)間常數(shù)有很大影響，在電機(jī)設(shè)計(jì)中要全面考慮。

3永磁直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和低速平穩(wěn)性

在永磁直流電動(dòng)機(jī)的某些應(yīng)用場(chǎng)合，如數(shù)控機(jī)床、加工中心及航空航天工程等．要求電動(dòng)機(jī)能夠在低速時(shí)輸出較大的轉(zhuǎn)矩且能平穩(wěn)運(yùn)行，即要求電動(dòng)機(jī)具有良好的低速平穩(wěn)性。影響永磁直流電動(dòng)機(jī)低速平穩(wěn)性的直接因素是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，良好的低速平穩(wěn)性要求電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的因素主要有兩個(gè)方面：

1）換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在理想情況下，電機(jī)的換向發(fā)生在零磁密處，元件中電流的切換不會(huì)引起轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。但實(shí)際上，一方面因電樞反應(yīng)使氣隙磁密分布發(fā)生畸變和繞組短距等原因，換向不是發(fā)生在零磁密處；另一方面又因電動(dòng)機(jī)的元件數(shù)和換向片數(shù)不可能無(wú)限多，支路元件數(shù)和支路電動(dòng)勢(shì)都在波動(dòng)。此外還由于換向器表面不平，使電刷與換向器之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩有所變化，這些因素都會(huì)使永磁直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動(dòng)。

2）齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在有槽電樞永磁直流電動(dòng)機(jī)中，由于齒槽的存在，使永磁體與所對(duì)著的電樞表面間的氣隙磁導(dǎo)不均勻，由此產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，引起電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。為了減小因換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，主要在結(jié)構(gòu)上采取措施，一般采用多槽結(jié)構(gòu)，增加元件數(shù)和換向片數(shù)，并使電刷的寬度適當(dāng)減小，相應(yīng)使換向區(qū)變小。對(duì)于多極電動(dòng)機(jī)，電樞繞組采用單波繞組，以消除多極磁場(chǎng)不對(duì)稱對(duì)電樞繞組電動(dòng)勢(shì)的影響，保證支路電動(dòng)勢(shì)平衡。此外，單波繞組還可減少電刷對(duì)數(shù)，使摩擦力矩有所降低，從而削弱因摩擦帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)于由電樞齒槽所引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可采取以下措施加以削弱：

1）盡可能增多電樞槽數(shù)，適當(dāng)加大電動(dòng)機(jī)的氣隙，以降低氣隙磁阻不均勻度，減小由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2）減小槽口寬度，采用磁性槽楔，以減小氣隙磁阻的變化，削弱磁阻轉(zhuǎn)矩。

3）采用奇數(shù)槽，使電動(dòng)機(jī)的槽數(shù)與極對(duì)數(shù)之間無(wú)公約數(shù)，以削弱電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引起的電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的波動(dòng)，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．

4）采用斜槽，以削弱或消除齒諧波磁場(chǎng)所引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．對(duì)于對(duì)低速平穩(wěn)性有更高要求的電動(dòng)機(jī)，除了考慮采取上述措施外，還可考慮采取特殊的電樞結(jié)構(gòu)。如無(wú)鐵心電樞結(jié)構(gòu)、無(wú)槽電樞結(jié)構(gòu)、動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)及印制電路繞組等采用這些結(jié)構(gòu)不僅可極大地削弱或消除由于齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還可大大減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)噴量，使電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的決速響應(yīng)特性。