參數對永磁無刷直流電動機穩態性能的影響
莫會成 (西安微電機研究所)
勵鶴鳴 陳世坤 (西安交通大學)
【 摘 要】從永磁無刷直流電動機基本工作原理出發，闡述換向角與電動機各矢量之間的關系，并根據所得的矢量圖，分析不考慮凸極和考慮凸極效應時電機參數對電機的機械特性、效率及功率因數等特性的影響。給出計算實例，得出了一些有用的結論和計算公式。
【敘 詞】無刷直流電動機永磁電機參數計算
l 引言
永磁無刷直流電動機的基本結構特點是應用電子換向代替了有刷直流電動機的換向器和電刷，定子采用多相交流繞組代替有刷直流電動機轉子上的直流繞組，轉子上安裝永磁磁極。因此它不僅保持了有刷直流電動機的各項性能，而且還具有壽命長、可靠性高、出力大、體積小、動態性能好等特點。因而近年來發展很快，已廣泛使用于數控機床、工業機器人、紡織、機械、工業自動化及軍用武器裝備等各個領域中。
一般認為永磁無刷直流電動機的穩態性能和永磁有刷直流電動機的穩態性能相似，相當于并激直流電動機，有較硬的機械特性，且通常也只考慮電阻對特性的影響，忽略或較少考慮電感的影響。實際上，由于永磁無刷直流電動機定子上采用了多相交流繞組，轉子部分為永磁體結構，從結構上來說與永磁同步電動機極為相似.于參與換向的繞組為一相繞組，而不是單個線圈，因此電感較大，往往不能忽略，否則在分析時就會造成很大誤差，甚至得出錯誤的結論。本文針對三相永磁無刷直流電動機兩種基本的結構形式，討論電阻rs、電感l和換向角δ等參數對電動機機械特性、效率，功率因數等特性的影響，并給出計算實例，得出一些有用的結論和實用的計算公式。
2基本原理和結構
盡管永磁無刷直流電動機的結構形式多種多樣，但最常見的還是定子采用三相y連接繞組，逆變器為橋式逆變器結構形式，如圖1所示，通常電動機有兩種基本運行狀態，即120o導通狀態和180o導通狀態。120o導通狀態
的特點是每個時刻電動機有兩相繞組導通，逆變器只有兩個橋臂上下各一晶體管導通，各相繞組的導通順序為ab、ac、bc、ba、ca、cb。180。導通狀態時，電動機每一時刻三相繞組都導通，逆變器3個橋臂各有1個晶體管導通，電機繞組的導通順序為abc、abc、abc、abc、abc、abc。但是，不論哪一種導通方式，其運行原理都是相同的，因為兩種導通狀態均每隔60o換相一次，形成一個導通狀態，一個周期被分成6個狀態。也就是說電動機旋轉1個周期，電機定子的磁場中心線變化6次，形成定子的步進磁場。在每一導通狀態，定子磁場中心線(忽略電感時)與永磁轉子的磁場中心線之間的夾角變化60。電角度，如圖2所示。根據(α1+α2)是大于180。、等于180。還是小于180o三種情況，分別稱之為超前、正常和滯后三種換向型式。而換向的時刻和順序則是由轉子位置傳感器檢測轉子位置來保證的。
永磁無刷直流電動機的轉子結構也有各種各樣的形式，從對參數和電氣性能的影響的角度考慮則只有兩種基本形式，其典型結構如圖3a和圖3b所示。第一種結構是轉子表面粘貼瓦形或環形永磁體，永磁體產生的磁場直接進入氣隙而形成氣隙磁場。由于一般采用高性能稀土永磁材料，因而電機的等效氣隙較大，其凸極效應可以忽略不計。另一種結構稱為內嵌式或隱極式，這種結構永磁體產生的磁場不是直接進入氣隙，而是經過極靴或導磁體進入氣隙，這時電動機的凸極效應較大，不能忽略，與凸極同步電動機相似。
3不考慮凸極效應時的性能分析
永磁無刷直流電動機轉采用圖3a所示結構時，其凸極效應可以忽略，設ld和lq分別代表直軸和交軸電感，因而這時有：
同時假定電機三相繞組的電壓為正弦波，轉子產生的永磁磁場也為正弦波，也就是忽略高次諧波的影響。從圖2磁場關系圖可看出，所謂的磁場中心線實際上就是定子電壓矢量，且在一個導通狀態中也轉過了60 。電角度，而不是位置不變。即轉子磁場和定子電壓矢量同步旋轉，兩者之間的 |
