同步电机之关于永磁无刷直流电动机的应用

    永磁无刷直流电动机具有闭环系统有刷永磁直流电动机的所有特性，但永磁无刷直流电动机体积小、重量轻、换向性能好、效率高，所以这种电动机被广泛地应用到高级家用电器设备、汽车、计算机外部设备及空间技术等场合。永磁无刷直流电动机是一种新型机电一体化高技术产品，随着大功率电子驱动模块的出现以及NdFeB永磁材料性能的提高和新型永磁材料的出现，这种电动机广泛的应用在航天航海、军工及民用的各个领域。就电动机本体而言，它的结构却是一个同步电动机，但因其特性具有直流电动机特性，而且又用直流电源驱动，所以常常把这一电机系统简称为永磁无刷直流电动机。

永磁无刷直流电动机有矩形波（也常被称为方波）和正弦波两种形式，根据2008年1月发布的最新（（永磁无刷电动机系统通用技术条件》国家标准GB /TZ1418一2008规定统一定义：驱动电路的驱动电流为方波的电动机通常称为永磁无刷直流电动机，驱动电路的驱动电流为正弦波的电动机通常成为永磁交流伺服电动机；按电动机传感器类型可分为有传感器电动机和无传感器电动机。本书只侧重分析永磁无刷直流电动机作为驱动电机的原理及应用。

8 . 2永磁无刷直流电动机的基本关系式

8 . 2 . 1数学模型

无刷直流电动机实质为自控同步运转的永磁同步电动机，其数学模型基于同步电动机的分析方法。由于两相导通星形六状态工作方式最为常用，我们以此方式为例分析三相无刷直流电动机的数学模型。分析时对理想的无刷直流电动机作如下假设：

l）三相绕组完全对称，气隙磁场为矩形波，定子电流、转子磁场分布皆对称；

2）由于定子无槽，忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；

3）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；

4）定子电流为三相对称120 "（电角度）的矩形波，定子绕组为600相宽的集中整距绕组。在理想情况下，由矩形波气隙磁通与矩形波定子电流相互作用，三相合成产生恒定的电磁转矩，不会产生转矩纹波。或者说，由于供电电流为矩形波，为了减少转矩纹波，永磁直流无刷电动机的气隙磁感应强度波形也应该是矩形

波分布。定子三相对称绕组的相电压方程为。

   无刷直流电动机采用高电阻率、低磁导率的NdFeB磁钢表面贴装结构，转子感应电流可忽略，等效气隙大，为隐极电动机特性。式（8一l）可展为。

8 . 2 . 2稳态性能简化分析

以两相导通星形六状态为例，分析无刷直流电动机的稳态特性。为便于分假设不考虑开关器件开关动作的过渡过程及电枢绕组的电感。l）电枢绕组的感应电动势设电枢绕组导体的有效长度为L ,导体的线速: ( m / s )，则单根导体在气隙磁场中感应电动势。（V）为度为。

    无刷直流电动机气隙主磁通的分布波形如图8一ga所示，为简化分析，可将它近似为梯形波；为了减小转矩脉动，反电动势波形的平顶宽度应大于120 “电角度，如图8一b所示。设电枢绕组每相串联匝数为N 。，则每相绕组的感应电动势幅值E 。（V）为。

8 . 2 . 3正弦波永磁无刷直流电动机基本关系的特点

无刷永磁直流电动机一般常用的永磁材料励磁，其气隙磁场很难形成矩形波分布，一般均是梯形波，在电枢绕组中感应的电动势也只是近似正弦波，因而其基本公式的推导是建立在转子永磁体产生气隙磁场感应强度按正弦分布，绕组感应电动势也按正弦分布的基础之上的。而在实际电动机设计中一般都采取了近似处理，即忽略气隙磁感应强度和反电动势的高次谐波，掌握了基波的电磁关系，也就掌握了电动机的基本功能和特性，因而在正弦波无刷永磁直流电动机设计中得到广泛的应用。但是，如果把这种假定方法用来设计矩形波无刷永磁直流电动机则会产生较大误差。表8一1 、表8一2中给出了无刷永磁矩形波和正弦波直流电动机计算公式和波形对照，从中可看出两者差别。