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| 無刷直流電機知識：淺談現(xiàn)代無刷直流永磁電動機 |
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眾所周知，交流同步電動機具有良好的運行性能，但其啟動性能差；交流感應電動機具有結構簡單、運行可靠的特點，但其調節(jié)性能差；直流電動機因其具有良好的調節(jié)性能和啟動性能而被產業(yè)界廣泛地應用。但是，對于有刷直流電動機而言，由于存在電刷／換向器的機械接觸機構，導致造價高，并產生了換向火花、電磁干擾、壽命短和可靠性等問題，從而又限止了它的使用范圍。
長期以來，人們希望能夠在保持有刷直流電動機的良好調節(jié)性能和啟動性能的前提下，消除其不足之處。20世紀五六十年代，微電子器件和電力電子器件方面的進步和成果為實現(xiàn)這種理想創(chuàng)造了必要的條件。經過較長時間的摸索，人們終于用電子換向代替了機械換向；把原先處于電動機內部的旋轉電樞轉變成處于外部的靜止電樞；把原先處于電動機外部的靜止磁場轉變成處于內部的旋轉磁場，從而使有刷直流電動機轉變成了無刷直流永磁電動機(BLDcM)。
無刷直流永磁電動機(BLDcM)是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的。宏觀而言，無刷直流永磁電動機和有刷直流電動機基本上具有相同的運行機理：施加在電動機上的電壓都是恒定不變的直流電壓，輸入電動機的電流都是直流電流，作用在電樞線圈(又可稱元件)上的電壓極性和通過電樞線圈的電流方向都是交變的，電樞線圈內的感應電動勢的波形基本上是相似的，方向都是交變的。因此，我們對兩者持有的設計思路和設計方法基本上是一致的，只是某些具體的計算公式略有不同。
無刷直流永磁電動機(BLDcM)和有刷直流電動機雖然具有相同的運行機理，但在運行性能方面存在著一定的差異：有刷直流電動機電樞繞組的元件數(shù)和換向器的換向片數(shù)多于無刷直流電動機電樞繞組的相數(shù)；在運行過程中，有刷直流電動機的磁極磁場與電樞磁場始終處于正交狀態(tài)，而無刷直流電動機的磁極磁場與電樞磁場在某一角度位置范圍內變動，正交狀態(tài)僅只是其中的一個瞬時位置。因此，在其他條件相同的情況下，在運行過程中，無刷直流電動機的力矩脈動要大于有刷直流電動機的力矩脈動；無刷直流電動機的電磁力矩要小于有刷直流電動機的電磁力矩。
交流永磁同步電動機內部存在著兩個磁場：一個是電樞磁場，另一個是由轉子永磁體產生的磁極磁場。當三相電樞繞組內通入三相電流時，便在定子內腔的氣隙內產生一個旋轉的電樞磁場。電樞磁場的旋轉速度nc(r／min)取決于電動機的磁極數(shù)2p和通入電流的頻率，(Hz)，它們之間有如下的關系式：f=pnc/60
當定子電樞磁場以速度nc朝某一方向旋轉時，轉子磁極磁場在一定條件下就跟著以速度n旋轉。我們把轉速nc稱為同步速度，把轉子磁極磁場的轉速n=％時的運行狀態(tài)稱為同步運行狀態(tài)。所謂“同步”就是轉子磁極磁場的旋轉轉速與定子電樞磁場的旋轉速度同步,亦即是電動機的旋轉速度與供電電壓的頻率同步。如果交流電網通過整流器／逆變器環(huán)節(jié)給交流永磁同步電動機供電，同時在交流永磁同步電流機的轉軸上安裝一個 能夠檢測出轉子磁極位置的傳感器，利用其輸出信號來控制給電動機三相電樞繞組供電的逆變器的輸出電壓的頻率，當電動機的轉速變化時，逆變器的輸出電壓的頻率也跟著變化。這意味著：在此情況下，電動機的供電電壓的頻率與轉子的旋轉速度實現(xiàn)了“同步”�？梢园堰@種“同步”稱為自控式同步或自同步，把這種類型的交流永磁同步電動機稱為自控式永磁同步電動機或自同步永磁同步電動機(PMSM)。
1972年德國工程師針對交流電動機運行特性的調節(jié)和控制，提出了坐標變換和磁場取向控制(或稱矢量控制)的方法，從而為提高交流電動機的調控性能和拓展應用范圍創(chuàng)造了新天地。就交流無刷永磁同步電動機面言，矢量控制的本質是：把定子a、6、c靜止坐標系中的電樞電流向量i(或磁勢向量E和磁通向量φ)，通過坐標變換的方法，將其轉換到以轉子磁極為參考的d、q旋轉坐標系中的兩個分量isd和ISD變換后的定子電樞電流的兩個分量相對轉子磁極磁場是靜止不動的，它們之間沒有相對運動。變換后的定子電樞電流的直軸分量is對轉子磁極磁場起到增磁或去磁的作用；變換后的定子電樞電流的交軸分量，和轉子磁極磁場相互作用產生旋轉電磁力矩。因此，可以把isd稱為磁場分量，而把isd稱為力矩分量。這時，實際上已經把原本靜止坐標系中的交流永磁同步電動機轉變成了旋轉坐標系中的“直流永磁電動機”。我們只需根據(jù)系統(tǒng)對isd和isq的大小需求，采用正弦脈寬調制(SPWM)技術或空間矢量脈寬調制(svPWM)技術來調節(jié)定子電樞電流向量i幅值和相位，就可以達到調控自控式永磁同步電動機的力矩和轉速的目的。
一般交流永磁同步電動機是在微電子器件、電力電子器件、變流技術、計算技術和現(xiàn)代控制技術的支持下，實現(xiàn)無刷自同步，即把一般交流永磁同步電動機轉變成為自控式永磁同步電動機，獲得與傳統(tǒng)直流電動機一樣良好的調節(jié)和啟動性能；但是，電動機本體內部的電磁關系和運行機理基本上沒有變化。因此，一般交流永磁同步電動機的設計理念和計算方法基本上適用于自控式永磁同步電動機，只是設計人員必須根據(jù)不同的技術要求，采取不同的實施策略和方案。
自控式永磁同步電動機(PMSM)與無刷直流永磁電動機(BLDcM)，就電動機本體而言，基本上具有一樣的結構：三相電樞繞組設置在定子上，永磁體磁極設置在轉子上。在一般情況下，我們把采用非橋式逆變電路或120°導通型的三相半橋逆變電路作為驅動電源，給電動機提供矩形波直流驅動電壓；一般情況下，電動機運行時，三相電樞繞組中一相一相輪流接通或兩相兩相輪流接通，在工作氣隙內產生“跳躍式”旋轉磁場的永磁電動機稱為無刷直流永磁電動機，簡稱無刷直流電動機。
在無刷直流永磁電動機中，希望能夠獲得近似于梯形波的氣隙磁場，以便減小電動機運行時出現(xiàn)的力矩脈動；把采用180。導通型的三相半橋逆變電路作為驅動電源，借助正弦調制和空間矢量調制技術，給電動機提供脈寬調制的交流驅動電壓；電動機運行時，三相電樞繞組同時接通，在電樞繞組內流過接近正弦波的交流電流，在工作氣隙內產生“連續(xù)式”旋轉磁場的永磁電動機稱為自控式永磁同步電動機。在自控式永磁同步電動機中，希望能夠獲得近似于正弦波的氣隙磁場，以便減小電動機運行時出現(xiàn)的力矩脈動。
目前，各種類型的永磁電動機在國民經濟的各個領域，例如在家用電器、情報信息機械、汽車工業(yè)、造紙工業(yè)、紡織工業(yè)、精密機床工業(yè)和軍事工業(yè)等制造領域內得到了
廣泛的應用，并正處于大力發(fā)展的階段。本書將著重分析和深入研討無刷直流永磁電動
機和自控式永磁同步電動機的基本理論、設計方法和它們的選用，希望對在此領域內從
事設計、制造和應用的工程技術人員有所幫助，并從中有所受益。
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