同步電機(jī)之關(guān)于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

    永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有閉環(huán)系統(tǒng)有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)的所有特性，但永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)體積小、重量輕、換向性能好、效率高，所以這種電動(dòng)機(jī)被廣泛地應(yīng)用到高級(jí)家用電器設(shè)備、汽車(chē)、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備及空間技術(shù)等場(chǎng)合。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)廣泛的應(yīng)用在航天航海、軍工及民用的各個(gè)領(lǐng)域。就電動(dòng)機(jī)本體而言，它的結(jié)構(gòu)卻是一個(gè)同步電動(dòng)機(jī)，但因其特性具有直流電動(dòng)機(jī)特性，而且又用直流電源驅(qū)動(dòng)，所以常常把這一電機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有矩形波（也常被稱(chēng)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)通用技術(shù)條件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB /TZ1418一2008規(guī)定統(tǒng)一定義：驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流為方波的電動(dòng)機(jī)通常稱(chēng)為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流為正弦波的電動(dòng)機(jī)通常成為永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)；按電動(dòng)機(jī)傳感器類(lèi)型可分為有傳感器電動(dòng)機(jī)和無(wú)傳感器電動(dòng)機(jī)。本書(shū)只側(cè)重分析永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的原理及應(yīng)用。

8 . 2永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本關(guān)系式

8 . 2 . 1數(shù)學(xué)模型

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)為自控同步運(yùn)轉(zhuǎn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，其數(shù)學(xué)模型基于同步電動(dòng)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。分析時(shí)對(duì)理想的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作如下假設(shè)：

l）三相繞組完全對(duì)稱(chēng)，氣隙磁場(chǎng)為矩形波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱(chēng)；

2）由于定子無(wú)槽，忽略齒槽、換相過(guò)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(duì)稱(chēng)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(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩紋波?；蛘哒f(shuō)，由于供電電流為矩形波，為了減少轉(zhuǎn)矩紋波，永磁直流無(wú)刷電動(dòng)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(duì)稱(chēng)繞組的相電壓方程為。

   無(wú)刷直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)特性。式（8一l）可展為。

8 . 2 . 2穩(wěn)態(tài)性能簡(jiǎn)化分析

以?xún)上鄬?dǎo)通星形六狀態(tài)為例，分析無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性。為便于分假設(shè)不考慮開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作的過(guò)渡過(guò)程及電樞繞組的電感。l）電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)設(shè)電樞繞組導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng) ,導(dǎo)體的線(xiàn)速: ( m / s )，則單根導(dǎo)體在氣隙磁場(chǎng)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（V）為度為。

    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)氣隙主磁通的分布波形如圖8一ga所示，為簡(jiǎn)化分析，可將它近似為梯形波；為了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)幅值E 。（V）為。

8 . 2 . 3正弦波永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本關(guān)系的特點(diǎn)

無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)一般常用的永磁材料勵(lì)磁，其氣隙磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)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(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度按正弦分布，繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也按正弦分布的基礎(chǔ)之上的。而在實(shí)際電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)勢(shì)的高次諧波，掌握了基波的電磁關(guān)系，也就掌握了電動(dòng)機(jī)的基本功能和特性，因而在正弦波無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。但是，如果把這種假定方法用來(lái)設(shè)計(jì)矩形波無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。表8一1 、表8一2中給出了無(wú)刷永磁矩形波和正弦波直流電動(dòng)機(jī)計(jì)算公式和波形對(duì)照，從中可看出兩者差別。