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劉元度（航空航天部六一八所）
【摘要】闡述當氣隙磁場為正弦分布和定子繞組電流為準方波時，在永磁無剛直流電動機機械特性的高速段引起的非線性，并對此非線性進行了理論計算。經一臺15W三相三狀態稀土永磁無刷直流電動機的試驗，證明了計算結果的正確性。文中還計算了永磁無刷直流電動機的空載轉速和繞組導角的關系，并提出了機械特性高速段非線性的改善措施。
【主題詞】無刷直流電動機，永磁電機，波形，匹配，理論，計算，性能
l 引 言
有刷永磁直流電動機以其效率高、單位體積輸出功率大，而得到廣泛的應用。特別是永磁直流力矩電動機，更以它的空載轉速低，單位體積輸出轉矩大而月于直接驅動負載，簡化了減速機構，提高了系統的精度和可靠性。但是，這類電機有一個****的缺點，就是需要電刷和換向器，由此而引起電刷磨損，刷粉污染局部環境，降低鐵心和繞組間的絕緣電阻，電刷和換向器間的接觸電阻不穩定，增加了摩擦轉矩，而且這一轉矩不穩定等。永磁直流驅動電動機的國家標準規定，在電動機的壽命期內，可以更換兩次電刷。永磁直流力矩電動機的國家標準規定，在壽命試驗中，每工作2dh，可以清理一次電刷和換向器。這類措施對于電動機的正常工作是有效的，但是對于使用者，要進行這項工作是很困難的，有時甚至不可能。這樣，電刷的使用期實際上限制了電動機的壽命。無刷直流電動機的出現。正是為了解決這一矛盾。這類具有同步電機結構，又有永磁直流電機外特性的電機，實際上是一種功角恒定的變頻同步電機，其頻率和功角的大小由與其同軸的位置傳感器決定。由于取消了電刷和換向器，使其故障間隔平均時間(MTBF)由有刷時的400h提高到20000h，同時降低了噪音，便于散熱等。
無刷直流電機的發展和稀土永磁材料及功率電子器件的發展息息相關。從60年代末的第一代稀土永磁材料（1：5型稀土永磁）到1983年和第三代稀土永磁材料（釹鋏硼永磁材料）僅僅用了1O多年時間。不久前，50MGO的永磁材料已在實驗室研制出來。在功率電子器件方面，高壓、大電流、小體積的半導體器件不斷出現。這些因素對于無刷直流電機在航空航天飛行器主控制伺服系統中的應用及其智能化起著決定性的作用，為全電飛行器的研制創造了必要的條件。
無刷直流電動機的種類很多，它們的相數、控制方式和傳感器的原理等各不相同。按其功能，它們可分為驅動和伺服兩類。當前使用的無刷直流電動機，相當大部分用于驅動負載作恒速運動。對于這類電動機的基本要求是：在一定的輸出功率下，盡可能地提高其效率和減少有效材料的用量，特別是減少稀土材料的用量。對于伺服類無刷電動機，除了上述基本要求以外，還需要有較好的低速平穩性，較好的機械特性線性度等。影響這些性能的因素很多，本文考慮到當繞組反電勢的瞬時值大于外加電壓時，定子繞組電流為零這一事實，在氣隙磁場為正弦分布和定子繞組電流為準方波的情況下，空載轉速附近永磁無刷直流電動機機械特性的計算，并在一臺三相三狀態稀土永磁無刷直流電動機上對計算結果的正確性作了試驗驗證。本文還計算了這類電動機的空載轉速和繞組導通角的關系。最后，簡要地提出了機械特性高速段非線性的改善措施。
2理論計算
假設
a．磁路為線性。
b．氣隙磁場為正弦分布。
c·定子繞組的電感忽略不計。
d．與定子繞組串聯的功率管處于開關工作狀態。在導通狀態時，忽略其管壓降。
當無劇直流電動機的控制電路處于開關工作狀態時，加在其繞組兩端的電壓為方波，但是氣隙磁場在繞組中產生的反電勢為正弦波。下面計算在不同的轉速時，這兩種波形相互作用產生的平均電流和平均轉矩。
設繞組的導通角，最小允許導通角值與相數、繞組的連接和控制方式有關。反電勢的瞬時值與繞組端電壓相等時的導通角。
可把機械特性分布為兩部分：低速部分；高速部分。
繞組中的平均電流為（圖1）
由式(3)可見，定子繞組電流的平均值和電磁轉矩的平均值與轉速成線性關系。隨著增加，of逐漸增大，電流和電磁轉矩的平均值和轉速的關系將出現非線性。
電動機的理論空載旋轉角頻率
當=O時的平均電磁轉矩
理論空載角頻率及平均電磁轉矩為基值，則有
應用式(2)、(3)、(5)，計算一臺三相三狀態稀土永磁無刷直流電動機的特性。該電動機的參數為
由式(2)可以計算出在不同繞組端電壓時的電磁轉矩（見表l。）
由式(4)、(5)可以求得相對空載轉速石：和系數面與繞組導通角c}的關系（見2表和圖2）。
計算值與實測值的比較
被試電機是一臺15w三相三狀態稀土磁無刷直流電動機，該電機的轉子上有兩塊120。徑向充磁的瓦片形稀土磁鋼。定子鐵心槽數為l2，氣隙磁場在定子繞組中產生的反電勢接近正弦波。位置傳感器的定子部分為6塊霍耳片。
由于本文所提出的非線性產生原因僅影響機械特性的高速部分故機械特性計算值與實測值的比較僅限于高速部分。圖3給出了計算值和實測值。
由于被試電動機存在摩擦轉矩，小于此轉矩值的電磁轉矩已無法由實驗直接測得。
4．結論
a由于定子繞組電流和反電勢波形不匹配，當轉子轉速超過某一數值后，定子繞組電流和龜磁轉矩的平均值將不與轉速成線性關系，電動機的機械特性出現非線性。
b．隨著繞組導通角的增加，這類波形六匹配無刷永磁直流電動機的理想空載轉速（即電磁轉矩平均值為零時的轉速）將迅速增加。對于三相三妝態無刷直流申動機當導通角為180度（電角度）時，理想空載轉速趨于無窮大。隨著導通角的增加，啟動轉矩增加緩慢，但是理想空載轉速卻迅速增加，致使電動機的阻尼系數（啟動轉矩／理想空載轉速），減小。
c．由于在機械特性高速段產生非線性的主要原因是方波電流和正弦波反電勢不匹配，因此，若控制電路處于開關工作狀態，采用方波分布的氣隙磁場和特殊分布的楚子繞組是改善這一非線性特性的有效措施。
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