同步電機(jī)之永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（Permanent magnet brushless DC motor）用電子換向裝置替代直流電動(dòng)機(jī)的換向器，保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性。它既具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)。近十幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、永磁材料和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了多種多樣結(jié)構(gòu)各異的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。

1 983年問(wèn)世的高性能永磁材料―鉸鐵硼永磁為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。鉸鐵硼永磁材料具有高剩磁、高矯頑力和高磁能積，大大提高了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率密度和性能，而較低的磁導(dǎo)率減小了電樞反應(yīng)的影響，使繞組電感小，有利于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，提高了電磁轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。但是，欽鐵硼永磁材料在提高電機(jī)功率密度的同時(shí)，也增大了齒槽轉(zhuǎn)矩，人們提出了許多抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，取得了較好的效果。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有高效、高功率密度、高可靠性的特點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、航空航天、電動(dòng)車(chē)、精密電子儀器與設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化等方面的應(yīng)用日益廣泛。

第一節(jié)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制器和電機(jī)本體緊密結(jié)合，是典型的機(jī)電一體化器件，由電動(dòng)機(jī)本體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成，如圖7一1所示。

一、工作原理

在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組安放于定子鐵心中，永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)永磁磁極的位置，據(jù)此確定定子繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，使電機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的電磁轉(zhuǎn)矩。下面以?xún)上鄬?dǎo)通星形三相六狀態(tài)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明其工作原理，圖7一2為其工作原理圖。當(dāng)轉(zhuǎn)子位于圖7一3 ( a）所示位置時(shí)，電機(jī)處于第一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)進(jìn)行邏輯譯碼，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使逆變電路中VTI 、 VT6導(dǎo)通，a相繞組正向?qū)ā?b相繞組反向?qū)?。永磁磁?dòng)勢(shì)Fm和定子合成磁動(dòng)勢(shì)Fa的空間位置如圖7一3 ( a )所示，永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，電流路徑為：電源正極一VTI管～a相繞組～b相繞組一VT6管一電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)600電角度后，轉(zhuǎn)子位置如圖7一3 ( b）所示，電機(jī)處于第二個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子位置譯碼電路產(chǎn)生新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使VTI 、VTZ導(dǎo)通，a相繞組正向?qū)ā?c相繞組反向?qū)āＳ来糯艅?dòng)勢(shì)Fm與電機(jī)定子合成磁動(dòng)勢(shì)Fa的空間位置如圖7一3 ( b）所示，電機(jī)產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，電流路徑為：電源正極一VTI管一a相繞組～。相繞組～VTZ管～電源負(fù)極。以此類(lèi)推，電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)600電角度，繞組改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，其導(dǎo)通順序?yàn)椋嚎梢?jiàn)，轉(zhuǎn)子位置變化后，控制電路總能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息改變定子繞組的導(dǎo)通狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。表7一1給出了兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)導(dǎo)通工作方式下的繞組導(dǎo)通順序表。

從運(yùn)行過(guò)程看，定子繞組每隔60 ”電角度換向一次，定子合成磁動(dòng)勢(shì)位置就改變一次，每相繞組每次導(dǎo)通120 “電角度，且始終保持兩相繞組導(dǎo)通，此工作方式稱(chēng)為兩相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)運(yùn)行方式。該方式中，每一狀態(tài)持續(xù)600電角度，在此期間定子繞組合成磁動(dòng)勢(shì)空間位置固定不動(dòng)，而永磁磁極連續(xù)旋轉(zhuǎn)600電角度，定子磁動(dòng)勢(shì)為跳躍式旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，使定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的空間夾角周期性變化，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，這將在后面詳細(xì)討論。