永磁同步电机之永磁直流电动机的动态特性

永磁直流电动机的一个重要用途是作为控制用电动机，是自动控制系统中常用的执行元件，如永磁直流伺服电动机和永磁直流力矩电动机等。前者将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出；后者能够长期处于堵转或低速状态下工作并输出大转矩，可以不经过齿轮等减速机构直接驱动负载。对于这类用途的永磁直流电动机，往往对其动态性能有严格的要求。一般要求电机具有优良的快速响应特性，即要求电机的机电时间常数小、转矩转动惯量比大；调速范围宽；另外还要求电机的转矩脉动小，低速运行平稳．

1永磁直流电动机的动态方程

为了满足自动控制系统快速响应的要求，当电压控制信号改变时，要求电动机的转速变化能迅速跟上控制信号的改变，就要求电动机的动态过渡过程越短越好。永磁直流电动机的动态过程是一个非常复杂的机电瞬变过程。在整个机电过渡过程中，电气过渡过程和机械过渡过程同时存在，两者交叠在一起，又相互影响。

永磁直流电动机的动态方程如下：。

2永磁直流电动机的传递函数和时间常数

对式（5 -53 ) 与 ( 5一56）进行拉普拉斯变换，并令全部初始条件为零，整理可得：以外施电压U ( '）和负载转矩T ,为输入量，以角速度（,）为输出量，由式（5-57 )和 ( 5一60）可作出永磁直流电动机的动态方程框图，如图5一30所示。由图可见，永磁直流电动机本身是一个闭环系统，感应电动势引入了与电动机角速度成正比的负反馈信号，增加了系统的有效阻尼。

通常，由于电枢绕组电感几很小电气时间常数乙与机械时间常数‘相比要小得多，所以往往可以略去电动机的电气过渡过程，即近似认为：此时电压一角速度传递函数变为。影响电动机时间常数的因素很多，除了电磁参数以外，机械参数也对时间常数有很大影响，在电机设计中要全面考虑。

3永磁直流电动机的转矩脉动和低速平稳性

在永磁直流电动机的某些应用场合，如数控机床、加工中心及航空航天工程等．要求电动机能够在低速时输出较大的转矩且能平稳运行，即要求电动机具有良好的低速平稳性。影响永磁直流电动机低速平稳性的直接因素是转矩脉动，良好的低速平稳性要求电动机在低速时转矩脉动小。引起电动机转矩脉动的因素主要有两个方面：

1）换向引起的转矩脉动在理想情况下，电机的换向发生在零磁密处，元件中电流的切换不会引起转矩的脉动。但实际上，一方面因电枢反应使气隙磁密分布发生畸变和绕组短距等原因，换向不是发生在零磁密处；另一方面又因电动机的元件数和换向片数不可能无限多，支路元件数和支路电动势都在波动。此外还由于换向器表面不平，使电刷与换向器之间的滑动摩擦转矩有所变化，这些因素都会使永磁直流电动机的输出转矩发生脉动。

2）齿槽效应引起的转矩脉动在有槽电枢永磁直流电动机中，由于齿槽的存在，使永磁体与所对着的电枢表面间的气隙磁导不均匀，由此产生磁阻转矩，引起电动机输出转矩的脉动。为了减小因换向引起的转矩脉动，主要在结构上采取措施，一般采用多槽结构，增加元件数和换向片数，并使电刷的宽度适当减小，相应使换向区变小。对于多极电动机，电枢绕组采用单波绕组，以消除多极磁场不对称对电枢绕组电动势的影响，保证支路电动势平衡。此外，单波绕组还可减少电刷对数，使摩擦力矩有所降低，从而削弱因摩擦带来的转矩脉动。对于由电枢齿槽所引起的转矩脉动，可采取以下措施加以削弱：

1）尽可能增多电枢槽数，适当加大电动机的气隙，以降低气隙磁阻不均匀度，减小由此产生的转矩脉动。

2）减小槽口宽度，采用磁性槽楔，以减小气隙磁阻的变化，削弱磁阻转矩。

3）采用奇数槽，使电动机的槽数与极对数之间无公约数，以削弱电枢转动时引起的电动机磁场的波动，减小转矩脉动．

4）采用斜槽，以削弱或消除齿谐波磁场所引起的转矩脉动．对于对低速平稳性有更高要求的电动机，除了考虑采取上述措施外，还可考虑采取特殊的电枢结构。如无铁心电枢结构、无槽电枢结构、动圈式结构及印制电路绕组等采用这些结构不仅可极大地削弱或消除由于齿槽效应引起的转矩脉动，还可大大减小电动机的转动喷量，使电动机具有优良的决速响应特性。