同步电机——永磁无刷直流电动机的结构

1．永磁无刷直流电动机本体结构

( l）定子结构。永磁无刷直流电动机的结构与调速永磁同步电动机相似，定子铁心中放置绕组，转子上有永磁磁极。由于永磁无刷直流电动机应用场合多种多样，其定、转子结构形式比永磁同步电动机更加多样化，图7一4为其常用的定子结构形式。分数槽定子结构应用较多，特别是图7一4 ( a）所示转子极数和定子槽数之比为2 / 3的结构，相绕组线圈绕在一个定子齿上，每对磁极下有三个定子齿。此结构的优点是：绕组端部尺寸小，绕组利用率高，一个线圈可以形成一个独立的磁极，相绕组之间互感小；缺点是：相绕组不能与全部转子磁场祸合，永磁体利用率低。图7一4 ( b）为无齿槽结构，定子绕组均匀分布于定子铁心内表面的气隙中。由于无定子齿，不产生齿槽转矩，非常适于对转速稳定性和振动、噪声要求较高的场合。但此结构也会带来一些不利影响：①绕组的分布区域大，由于绕组导热能力远远低于铁心，绕组内部散热能力差，温升高；②电机内的有效气隙为转子表面到定子铁心内圆的距离，远大于普通电机的有效气隙，气隙磁密低，为获得较高的气隙磁密，需增大永磁体厚度，使电机的成本增加。图7一4 ( c）为整数槽结构，每极每相槽数q为整数，定子绕组多为双层叠绕组或单层同心式绕组。该定子结构形式在永磁无刷直流电动机中应用广泛。

( 2）转子结构。永磁无刷直流电动机中，主磁场由转子上的永磁体产生，常见的转子结构如图7一5所示。图7一5 ( a）中两片永磁体形成两个转子N极，通过转子铁心的凸极形成两个S极。该结构可使永磁转子所需的永磁体片数降低一半，但凸极结构会使定子绕组电感随转子位置而变化，产生附加的磁阻转矩。图7一5 ( b）中的永磁体切向充磁，可获得较大的气隙磁密，使用铁氧体永磁时多采用此结构，既能降低成本又能获得较高的气隙磁密。但此结构的电枢反应磁场较强，会引起气隙磁场畸变。图7一5 ( c）中，转子永磁磁极之间为铁心，运行时产生一附加磁阻转矩，通过合理设计可以使该磁阻转矩为有用的驱动转矩，提高电机的功率密度。对于多极永磁无刷直流电动机，转子多采用图7一5 ( d）所示的结构，虽然其磁性能较低，但结构简单、工艺性好、成本低，故应用较多。图7一5 ( e）、（f）、（g）所示转子结构中的永磁体均为表面安装，且一般为平行充磁，永磁体直接面对气隙，气隙磁场较强。由于永磁材料磁导率低，所以定子绕组电感较小，电枢反应磁场较弱，对永磁无刷直流电动机的运行有利。对永磁体的外圆、厚度和极弧宽度进行优化，可以有效抑制齿槽转矩。

2．逆变器

逆变器的主要作用是根据转子位置信号适时给定子绕组通电，其拓扑结构主要分为桥式逆变和半桥式逆变电路两种，如图7一6所示。其中图（a）为半桥式逆变电路，电机工作于单相导通的三相三状态工作方式，图（b）、（c）为桥式逆变电路，电机工作于两相导通的三相六状态工作方式，其中应用最广泛的是图（b）所示的拓扑结构。由于电机相绕组感应电动势非正弦，其中含有大量的三次谐波，所以图（c）所示的绕组连接方式很少采用。此外，还有四相、五相桥式逆变电路，其绕组导通时间较三相桥式逆变电路长，提高了绕组利用率和功率密度，但逆变电路复杂，成本较高。

3．转子位置传感器

转子位置传感器是永磁无刷直流电动机的重要部件，其作用是检测转子位置以获得转子位置信息，经逻辑处理产生相应的逆变器驱动信号。转子位置传感器一般包括传感器转子和传感器定子两部分，其中传感器转子与电机转子同轴安装，二者同步旋转；传感器定子固定在电机定子或端盖上，传感器定子和传感器转子之间的位置关系直接反映了永磁无刷直流电动机定转子之间的位置关系。转子位置传感器主要有磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、旋转编码器等，其中常用的有以下几种：

( l）霍尔元件式位置传感器

( 2）光电式位置传感器。

出宽度为1200电角度的交变信号，将这些信号整流即得转

( 3）电磁式位置传感器。电磁式位置传感器是根据电磁感应原理实现位置检测的。图7一n为由开口变压器构成的电磁式位置传感器，定子磁心固定在电机定子上，转子磁心与电机转子同轴连接，它们均由高频软磁材料构成。定子磁心上绕有高频交流励磁线圈（约几千赫兹），通电的励磁线圈在磁心中产生高频交变磁场。随着转子的旋转，转子磁心先后与不同的定子齿祸合，在输出绕组中依次感应子磁极的位置信号。电磁式位置传感器输出信号强，无需放大，并且抗冲击能力强，可靠性好，但其结构复杂、体积大。