同步電機(jī)之關(guān)于永磁無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用

    永磁無刷直流電動機(jī)具有閉環(huán)系統(tǒng)有刷永磁直流電動機(jī)的所有特性，但永磁無刷直流電動機(jī)體積小、重量輕、換向性能好、效率高，所以這種電動機(jī)被廣泛地應(yīng)用到高級家用電器設(shè)備、汽車、計算機(jī)外部設(shè)備及空間技術(shù)等場合。永磁無刷直流電動機(jī)是一種新型機(jī)電一體化高技術(shù)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(jī)廣泛的應(yīng)用在航天航海、軍工及民用的各個領(lǐng)域。就電動機(jī)本體而言，它的結(jié)構(gòu)卻是一個同步電動機(jī)，但因其特性具有直流電動機(jī)特性，而且又用直流電源驅(qū)動，所以常常把這一電機(jī)系統(tǒng)簡稱為永磁無刷直流電動機(jī)。

永磁無刷直流電動機(jī)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(jī)系統(tǒng)通用技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)通常稱為永磁無刷直流電動機(jī)，驅(qū)動電路的驅(qū)動電流為正弦波的電動機(jī)通常成為永磁交流伺服電動機(jī)；按電動機(jī)傳感器類型可分為有傳感器電動機(jī)和無傳感器電動機(jī)。本書只側(cè)重分析永磁無刷直流電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的原理及應(yīng)用。

8 . 2永磁無刷直流電動機(jī)的基本關(guān)系式

8 . 2 . 1數(shù)學(xué)模型

無刷直流電動機(jī)實質(zhì)為自控同步運轉(zhuǎn)的永磁同步電動機(jī)，其數(shù)學(xué)模型基于同步電動機(jī)的分析方法。由于兩相導(dǎo)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(jī)的數(shù)學(xué)模型。分析時對理想的無刷直流電動機(jī)作如下假設(shè)：

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(yīng)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(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度波形也應(yīng)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(jī)采用高電阻率、低磁導(dǎo)率的NdFeB磁鋼表面貼裝結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流可忽略，等效氣隙大，為隱極電動機(jī)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(dǎo)通星形六狀態(tài)為例，分析無刷直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性。為便于分假設(shè)不考慮開關(guān)器件開關(guān)動作的過渡過程及電樞繞組的電感。l）電樞繞組的感應(yīng)電動勢設(shè)電樞繞組導(dǎo)體的有效長度為L ,導(dǎo)體的線速: ( m / s )，則單根導(dǎo)體在氣隙磁場中感應(yīng)電動勢。（V）為度為。

    無刷直流電動機(jī)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(yīng)大于120 “電角度，如圖8一b所示。設(shè)電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為N 。，則每相繞組的感應(yīng)電動勢幅值E 。（V）為。

8 . 2 . 3正弦波永磁無刷直流電動機(jī)基本關(guān)系的特點

無刷永磁直流電動機(jī)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(yīng)的電動勢也只是近似正弦波，因而其基本公式的推導(dǎo)是建立在轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生氣隙磁場感應(yīng)強(qiáng)度按正弦分布，繞組感應(yīng)電動勢也按正弦分布的基礎(chǔ)之上的。而在實際電動機(jī)設(shè)計中一般都采取了近似處理，即忽略氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度和反電動勢的高次諧波，掌握了基波的電磁關(guān)系，也就掌握了電動機(jī)的基本功能和特性，因而在正弦波無刷永磁直流電動機(jī)設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。但是，如果把這種假定方法用來設(shè)計矩形波無刷永磁直流電動機(jī)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(jī)計算公式和波形對照，從中可看出兩者差別。