1．磁路結(jié)構(gòu)
無刷直流永磁電動機在磁路結(jié)構(gòu)上的****特點是采用永磁體做轉(zhuǎn)子，而定子結(jié)構(gòu)基本上與交流電動機相似。小功率無刷直流永磁電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式主要有圓柱式、星環(huán)氧玻璃布帶綁扎，以便起到保護永磁體和增加轉(zhuǎn)子機械強度的作用。
2．等效磁路圖上述四種結(jié)構(gòu)形式的磁路，均由永磁體、軟鐵和氣隙組成。假定通過氣隙進入齒部的磁通不在電樞齒內(nèi)分流，面全部經(jīng)過軛部閉合，那么電動機空載時的等效磁路圖如
圖1．60中，Aw′m為虛設(shè)的永磁體內(nèi)磁勢，當永磁體在回復直線上工作時，它的數(shù)值由回復直線的延長線與橫坐標軸的交點來決定；Am為永磁體的內(nèi)磁導，當磁路的磁狀態(tài)處在回復直線上時，它可以被看作為常量，其值為
ur為永磁體的相對導磁率，也就是回復系數(shù)，常用永磁體材料的回復系數(shù)列于表1．18；
Sm為產(chǎn)生每極磁通的與磁力線相垂直的永磁體的計算中性截面積(c²)；
Lm為永磁體沿磁力線方向的一對磁極的計算長度(cm)。
電動機加負載以后，電樞磁場就要對轉(zhuǎn)子磁場起反作用，這種反作用被稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)磁勢的直軸分量Awad，對轉(zhuǎn)子永磁體來說，有時起增磁作用，有時起去磁作用，它的大小和方向隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而變化；電樞反應(yīng)磁勢的交軸分量Awad將使電動機的氣隙磁場發(fā)生畸變，磁力線扭曲。圓柱式結(jié)構(gòu)電動機加負載后的氣隙磁場分布情況如圖l 61(a)所示。圖1．6l(b)為電動機加負載時沿直軸方向的等效磁路圖，圖中Awad為電樞反應(yīng)磁勢的直軸分量，θm是電動機負載時永磁體中性截面上發(fā)出的磁通，φδ和φσ。分別為電動機負載時的氣隙磁通和漏磁通。
星形式轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)和表面貼裝式轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)的電動機在加負載后，其電樞反應(yīng)對轉(zhuǎn)子永磁體和氣隙磁場的作用與圓柱式轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)的電動機相同。對于拼塊式轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)的電動機來講，電動機加負載后，其電樞反應(yīng)磁勢的直軸分量Awad也將對轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生時面增磁和時而去磁的作用；但由于其轉(zhuǎn)子上具有軟鐵制成的磁極體，能給電樞反應(yīng)的交軸分量Awad提供一條不經(jīng)過永磁體的保護通路，致使氣隙磁場不會產(chǎn)生****性的畸變。
3．永磁體的****工作點
首先讓我們分析如圖1．62所示的磁路，它由長度為Lm、截面積為Sm的永磁體，長度為Lδ、截面積為Sδ的氣隙，以及軟鐵部分所組成。假設(shè)軟鐵的導磁率為無窮大，則有
忽略磁路的漏磁，根據(jù)磁通連續(xù)性原則，有
由公式(1 65)乘以公式(1．66)，得到
式中，Hδ為氣隙中的磁場強度；Bδ為氣隙中的磁感應(yīng)強度；Hm為永磁體中的磁場強度；Bm為永磁體中的磁感應(yīng)強度；Vδ為氣隙的體積；Vm為永磁體的體積。
公式(1．68)還可以寫成
公式(1．70)表明，為了在一定氣隙內(nèi)產(chǎn)生一定的磁通，HmBm愈大，所需要的永磁體的體積Vm就愈小。
現(xiàn)在，我們進一步討論如何獲得****的乘積(BH)max。位于第二象限內(nèi)的磁滯回線部分，被稱為去磁曲線，如圖1 63所示，它描繪了永磁體最終表現(xiàn)出來的宏觀特性。在通常情況下，含有永磁體的磁路是在去磁曲線上工作的。在圖1．63中左邊畫出了一條典型的去磁曲線B(H)；右邊是乘積(BH)與B的關(guān)系曲線，即以成績（BH）為橫坐標，B為縱坐標。圖中直線OK代表了氣隙的大小，它與去磁曲線姜交點D成為該磁路的永磁體的工作點而EF代表了乘積DE×DG。在去磁曲線上，不同的工作點就有不同的（BH）值，對應(yīng)于****值（BH）max的工作點， 被稱為永磁體的****工作點
有時，乘積（BH）max被認為是永磁體所能提供的****能量。而實際上，單位體積的永磁體向外部空間提供的****能量，即比磁能為
在磁路系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)該調(diào)整磁路系統(tǒng)的尺寸，使永磁體盡可能地工作在****工作點上。
在某些含有永磁體的磁路中，氣隙是可變的，如圖1．64(a)所示，它由永磁體、磁軛、銜鐵、不變的漏磁氣隙和可變的工作氣隙所組成。開始時，銜鐵被移至足夠遠的地方，永磁體的工作點由它的原始漏磁導決定，如圖1 64(b)中的A點。此時，永磁體所發(fā)出的磁通全部是漏磁通，圖1．64(b)中的線段Ac就代表了永磁體中的漏磁通密度；線段Oc，即HO是永磁體中的磁場強度。
當銜鐵向含有永磁體的磁路移近時，永磁體所發(fā)出的總磁通在漏磁通氣隙和工作氣隙之間按照它們磁導的大小成比例地分配。隨著銜鐵的漸漸移近，工作氣隙不斷減小，水磁體的工作就沿著回復直線AD上升，總磁通也相應(yīng)地逐漸增加。當工作點移到Q點時，其有用磁通密度從零上升到QF值，漏磁通密度則從Ac下降到FG。此時，有用的比磁能和漏磁比磁能分別是面積QJKF和FK0G的一半，永磁體向外界提供的總比磁能是面積QJOG的一半。
當銜鐵向含有永磁體的磁路移近時，永磁體所發(fā)出的總磁通在漏磁通氣隙和工作氣隙之間按照它們磁導的大小成比例地分配。隨著銜鐵的漸漸移近，工作氣隙不斷減小，水磁體的工作就沿著回復直線AD上升，總磁通也相應(yīng)地逐漸增加。當工作點移到Q點時，其有用磁通密度從零上升到QF值，漏磁通密度則從Ac下降到FG。此時，有用的比磁能和漏磁比磁能分別是面積QJKF和FK0G的一半，永磁體向外界提供的總比磁能是面積QJOG的一半。
當永磁體在回復條件下工作時，對應(yīng)有用磁通的能量被稱為有用的回復能量。對于給定的回復直線，當AQ=QD，即Q點把回復直線AD二等分時，代表有用回復能量的比磁能的QF×OG乘積為****。在永磁體回復系數(shù)已知的情況下，就可以計算出由去磁曲線上任意一點發(fā)出的回復直線所具有的****有用回復能量。顯然，在去磁曲線上，總存在著一個特殊的點A，從該點發(fā)出的回復直線具有比任何其他回復直線大的有用回復能量。這個具有****有用回復能量的回復直線的起始點，在去磁曲線上位于某一個稍低于具有****磁能積(BH)max的點上。
在磁路系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)該調(diào)整磁路系統(tǒng)的尺寸，即改變點A和點Q的位置，使永磁體盡可能在****有用回復能量的條件下工作。如果對于給定的永磁體材料，在整個去磁曲線B(H)上，所有回復直線具有同樣的斜率，我們就可畫出具有****有用回復能量的等強線，見圖1．64(b)。以此，可以檢查永磁體是否工作在****工作點上。
水磁電動機中，水磁體在氣隙內(nèi)建立的磁場，向氣隙提供一定的能量；而具有一定磁阻的外磁路，對永磁體起著一種去磁作用。在磁路不飽和的情況下，通�？梢杂靡粭l直線來描述外磁路的特性，如圖1. 65中的直線oP，它與橫坐標軸之間的夾角a僅取決于氣隙和外磁路系統(tǒng)的尺寸。我們把直線0P稱為空載工作線。電動機加負載后，由于 存在著電樞反應(yīng)直輔去磁磁勢，空載工作線就會向左移動。圖1．65中直線QH就是電動機在額定負載條件下運行時的工作線，稱之為負載工作線�？蛰d工作線0P和負載工作線QH分別與回復直線Bm=g(Hm)相交于P點和H點，我們稱P點為永磁體的空載工作點，H點為永磁體的負載工作點。
一般來講，永磁電動機中的永磁體是在同復條件下工作的。因此，我們必須調(diào)整磁路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)的參數(shù)，使得永磁體向工作氣隙提供的有用回復能量****，從而保證在同樣輸出功率的條件下，電動機具有最小的體積和重量，實現(xiàn)永磁體的****利用。
****工作點對于永磁電機而言，是客觀存在的，但由于穩(wěn)磁方式的不同，外磁路飽和程度的變化，以及電機負載后電樞反應(yīng)的影響等種種原因，在實際設(shè)計工作中，要獲得****工作點并不是輕而易舉的事情。有時，為了滿足某種特殊的技術(shù)指標，往往只好犧牲****工作點�？傊�，實際上總是只能采用折中的辦法來設(shè)計。在某些有特殊要求的情況下，設(shè)計時亦可以不考慮****工作點的問題。
4永磁體的穩(wěn)定方法
由永磁體本身的特性可知，永磁體的去磁曲線僅表明當外部的去磁磁場強度單方向從零變化到一Hc值時，永磁體內(nèi)部磁場強度Hm和磁通密度Bm之間的關(guān)系。一旦在去磁曲線上某一點去掉外部的強迫去磁磁場強度后，永磁體內(nèi)部的磁狀態(tài)就不會沿著去磁曲線向上移動，面只能沿回復直線向上移動。
一臺新裝配好的永磁電動機，充磁以后的原始磁狀態(tài)處在圖1 66中的A點上。在電動機運行時，轉(zhuǎn)子永磁體將會受到電樞反應(yīng)磁場的去磁作用，使電動機的磁狀態(tài)發(fā)生變化，永磁體的工作點將隨著電樞反應(yīng)的增磁或去磁作用在某一回復直線K1A1上移動。如果電動機在另一次運行時，經(jīng)受了比上次更大的去磁作用，這時永磁體的工作
點將在另一條回復直線k2A2上移動。由此可見，電動機的運行特性將會隨著負載的變化而變化，表現(xiàn)為性能不穩(wěn)定，這是我們所不希望的。為此，在電動機正式投入運行以前，我們必須采取適當?shù)拇胧�，讓電動機經(jīng)受它在按照技術(shù)條件運行的整個過程中，可能遇到的****去磁作用，從而保證在使用過程中它的運行性能不會再隨著負載的變化而變化。我們把所采取的這種措施稱為“穩(wěn)定”，通常采用的“穩(wěn)定”方法有下面幾種：
(1)空氣穩(wěn)定
永磁體轉(zhuǎn)子在裝入定子以前，預先給以充磁，并使永磁體達到飽和狀態(tài)。然后，不要給充好磁的轉(zhuǎn)子永磁體加保護性的磁短路環(huán)，而讓其自由地處于空氣中。這時，永磁體本身的磁狀態(tài)(φ0，Awo)由直線0c與去磁曲線的交點c來決定，如圖1．67所示。
直線Oc是永磁體轉(zhuǎn)子自由地處于空氣中時，其永磁體的外磁路的等效磁導線。有時亦稱它為自由狀態(tài)時的漏磁導線。c點是回復直線的起始點。我們把這種穩(wěn)磁方法叫做“空氣穩(wěn)定”，或者稱之為“自由狀態(tài)的穩(wěn)定”。
在設(shè)計采用“空氣穩(wěn)定”的電動機時，當磁路系統(tǒng)的尺寸決定之后，必須求出轉(zhuǎn)子永磁體在空氣中的等效磁導△=tana，從而決定回復直線的起始點c。
采用“空氣穩(wěn)定”的電動機，制造和維修方便，但永磁體利用差，電動機的質(zhì)量較重和體積較大。
(2)起動穩(wěn)定
永磁體轉(zhuǎn)子在裝入定子以后得進行充磁，并使永磁體達到飽和狀態(tài)，此時永磁體的磁狀態(tài)由圖1．68中的A點來確定。然后，電動機在額定工作電壓和額定負載條件下起
動，永磁體的工作點將沿去磁曲線下降到k點。隨著起動過程的結(jié)束，電動機將在額定狀態(tài)下運行，永磁體的工作點移到負載工作點H，其磁狀態(tài)由日點確定。
在設(shè)計采用“起動穩(wěn)定”的永磁電動機時，當主要尺寸確定之后，必須選定磁路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，對應(yīng)某一電樞繞組和電子換向線路，就可以計算出起動電流IST起動時電樞反應(yīng)的直軸去磁磁勢AWadk的數(shù)值，從而決定回復直線起始點K的位置，以及負載工作點H和空載工作點P的位置。據(jù)此可以校驗所選磁路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)是否合適，并在此基礎(chǔ)上進行適當調(diào)整，以便盡量使永磁體能工作在****工作點上。
(3)突然反轉(zhuǎn)穩(wěn)定
當技術(shù)指標中對電動機有正反轉(zhuǎn)要求時，永磁體的穩(wěn)定要采用“突然反轉(zhuǎn)”的方法。
對于無刷直流永磁電動機，由于電路系統(tǒng)中電子換向線路導通順序的不同，它在“突然反轉(zhuǎn)”時情況較為復雜�，F(xiàn)在以星形三相電樞繞組與非橋式電子換向線路的組合為例進行分析。
電動機正向旋轉(zhuǎn)時(順時針方向)，定子繞組導通順序為u—V—w；反向旋轉(zhuǎn)時(逆時針方向)，定子繞組導通順序為u—w—v。假定正向旋轉(zhuǎn)的電動機在u相繞組通電時突然反轉(zhuǎn)，圖1．69中Awadd為此時u相繞組的電樞磁勢，而轉(zhuǎn)子磁場φm有可能處在狀態(tài)角az范圍之內(nèi)(即圖中位置I和位置Ⅱ之間)的任意位置上�，F(xiàn)在就兩種情況，分別研究電動機突然反轉(zhuǎn)時，其電樞磁場對轉(zhuǎn)子磁場的影響。
1)轉(zhuǎn)子磁場處在[I，O]區(qū)間內(nèi)。此時，反轉(zhuǎn)的指令信號將使電子開關(guān)切斷u相繞組，同時接通y相繞組，轉(zhuǎn)子受到反方向轉(zhuǎn)矩而反轉(zhuǎn)。這時的電樞磁勢如圖中Awav所示，其軸分量Awadf對轉(zhuǎn)子磁場起去磁作用。
當轉(zhuǎn)子處在邊界位置I時，電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場正交，純粹表示為交軸電樞反應(yīng)。
當轉(zhuǎn)子處在中間位置O時，電樞反應(yīng)的直軸去磁分量轉(zhuǎn)達到****值，其數(shù)值為
2)轉(zhuǎn)子磁場處在[O，II]區(qū)間內(nèi)。此時，反轉(zhuǎn)指令信號將使電子開關(guān)切斷u相繞組，而接通w相繞組，轉(zhuǎn)子受到反向轉(zhuǎn)矩而反轉(zhuǎn)。這時電樞磁勢如圖中Awaw所示，其直軸分量對轉(zhuǎn)子磁場起增磁作用。
當轉(zhuǎn)子處在邊界位置II時，電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場正交，純粹表現(xiàn)為交軸電樞反應(yīng)。
當轉(zhuǎn)子處在中間位置0時，電樞反應(yīng)的直軸增磁分量達到****值，其數(shù)值上和上述直軸去磁分量大值相等，在采用“突然翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定”時，對于已去定的磁路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，可以計算出突然反轉(zhuǎn)時電樞反應(yīng)的直軸去磁分量的****值 AWadf，從而決定回復直線的起始點。
綜上所述，采用不同的穩(wěn)定方法，永磁體的工作點就不同， 其利用程度也就不同 ，其利用程度也就不同，在電動機設(shè)計時，采用的計算方法也不同 ，在無刷直流永磁電動機中，為了充分利用永磁體， 通常是裝配后充磁，采用啟動穩(wěn)定或突然反轉(zhuǎn)穩(wěn)定的文辭方法，但是采用這類方法后， 電動機裝拆和維修不太方便。
對于采用稀土永磁體的電動機而言，由于稀土永磁材料的相對導磁率 u≈1， 回復直線與常規(guī)去磁曲線基本上相重合， 因此 ，不管采用哪一種 “穩(wěn)定”方法，只要把稀土永磁體充到飽和 電動機就能獲得基本上一致的和穩(wěn)定的運行性能， 設(shè)計者和制造商要考慮的問題 應(yīng)該是 ： 采用哪一種充磁/穩(wěn)磁方法便于制造， 可以降低生產(chǎn)成本，和進一步提高產(chǎn)品的性能等。
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