步进电动机

第十四章特种电机14.1 永磁电机永磁电机就是采用磁钢(或永久磁铁)励磁的电机。

如果将直流电机的直流励磁绕组用永久磁铁代替，就成为永磁直流电机。

对于转子直流励磁的同步电动机，若采用永磁体取代其转子直流励磁绕组，则相应的同步电动机就成为永磁同步电动机。

本节就分析永磁电机的有关问题。

14.1.1 永磁同步电动机永磁同步电动机具有功率密度高、转子转动惯量小、电枢电感小、运行效率高以及转轴上无滑环和电刷等优点，因而广泛应用于中小功率范围内(≤100kW)的高性能运动控制领域，如工业机器人、数控机床等。

永磁同步电动机的种类繁多，按照转子永磁体结构的不同，一般可分为两大类：一类是表面永磁同步电动机；另一类是内置式永磁同步电动机。

按定子绕组感应电势波形不同，也可分为两种：定子绕组感应电势波形为正弦波的永磁同步电动机，就是通常所说的永磁同步电动机；定子绕组感应电势波形为梯形波永磁同步电动机，侧称为无刷永磁直流电动机。

无刷永磁直流电动机另外分析。

与一般同步电动机一样，正弦波的永磁同步电动机定子绕组通常采用三相对称的分布绕组，而转子则通过适当设计的永磁体形状确保转子永磁体所产生的磁密呈正弦分布。

这样，当电动机恒速运行时，定子三相绕组所感应的电势则为正弦波，正弦波永磁同步电动机由此而得名。

事实上，正弦波永磁同步电动机是一种典型的机电一体化电机。

它不仅包括电机本体，而且还涉及位置传感器、电力电子变流器以及驱动电路等。

图14—1为正弦波永磁同步电动机的基本组成框图。

图14—1 正弦波永磁同步电动机的基本组成框图图14—1中，正弦波永磁同步电动机的定子三相对称绕组由电力电子逆变器供电。

该逆变器所输出定子三相绕组电流的大小取决于负载，而频率则取决于转子的实际位置与转速。

转子转速越高，则逆变器的输出频率越高；转子转速越低，则逆变器的输出频率越低。

比较图11—26和图14—1可见，正弦波永磁同步电动机系统和无换向器电动机系统基本相同，其区别主要是永磁同步电动机的转子磁场是永久磁铁，无换向器电动机系统的转子磁场是直流励磁，即转子结构存在差异，定子绕组相同。

其分析方法和结果基本一致，这里不再赘述。

此处仅将永磁同步电动机的转子结构作一介绍。

按照转子结构的不同，正弦波永磁同步电动机可以分为表面永磁同步电动机和内置永磁同步电动机两大类。

由于这两种类型同步电动机的永磁体结构以及放置的位置有所不同，相应永磁同步电动机的矩角特性也存在差异。

一、表面正弦波永磁同步电动机1．结构特点转子表面永磁同步电动机的转子结构如图14—2所示。

转子永磁体通过环氧树脂牢牢地粘接在转子铁心表面上。

图14—2 表面永磁同步电动机的转子转子表面永磁同步电动机具有如下特点：（1）考虑到转子的牢固性，表面永磁同步电动机一般仅用于低速同步运行的场合，转r。

速一般不超过3000/min（2）考虑到永磁材料的相对磁导率较低(近似大于等于1)，永磁体又粘接在转子表面上，因此表面永磁同步电动机的有效气隙较大，而且气隙均匀，转子为隐极式结构。

因此，表面永磁同步电动机有隐极式同步电机的电磁特点。

二、内置正弦波永磁同步电动机1．结构特点与内置正弦永磁同步电动机转子的永磁体被牢牢地镶嵌在转子铁心内部，其形状为了确保转子磁势和磁场空间呈正弦分布。

内置永磁转子永磁体的结构种类较多，图14—2是一种典型结构的永磁体转子示意图。

图14—3 内置永磁同步电动机的转子结构示意图内置正弦波永磁同步电动机的特点是：1．结构简单、运行可靠，适用于高速运行场合；2．气隙较小，d轴和q轴的同步电抗均较大，电枢反应磁势较大，因而存在相当大的弱磁空间。

3．直轴的有效气隙比交轴的大(一般直轴的有效气隙是交轴的几倍)，因此，直轴同步电抗小于交轴同步电抗。

可见，正弦波内置永磁同步电机的电磁过程与一般凸极式同步电动机基本相同。

14.1.2 永磁无刷直流电动机永磁直流电动机分有刷永磁直流电动机和永磁无刷直流电动机。

永磁有刷直流电动机广泛应用于小型电器之中。

由于电刷和换向器的存在，有刷永磁直流电动机在维修、制造等方面都比永磁无刷直流电动机复杂；在应用中的换向火花、机械噪音等限制了它难以在恶劣的环境下使用。

而无刷直流电机由于没有电刷，弥补了永磁直流电动机和传统直流电机的缺陷。

因此永磁无刷直流电动机越来越多的应用在伺服系统、数控机床、变频空调以及电动自行车中。

永磁无刷直流电的电枢绕组是经由电子“外部换向器（逆变器）”接到直流电源上的，可以把它归为直流电动机的一种。

从逆变器的角度来看，永磁无刷直流电动机电枢绕组中的电流变化是靠逆变器来完成的，其频率与转速变化一致，所以它又可属于永磁同步电动机的一种。

他和正弦永磁同步电动机的主要区别在于，无刷直流电动机电枢绕组中流过的电流以方波形式变化，故又称为方波交流永磁电动机。

一、永磁无刷直流电的结构永磁无刷直流电动的电枢绕组是安放在定子上，其三相对称绕组采用整距、集中绕组，这和永磁同步电动机的短距、分布是不相同的。

永磁无刷直流电动的永磁磁极安放在转子上，而永磁体为稀土永磁材料(钐钴、钕铁硼)，一般为瓦形，安置在转子铁心表面。

对于高速电机，还需要加装非磁性护环，结构如图14—4所示。

(a) (b)图14—4 永磁无刷直流电动的结构图(a) 整体结构； (b) 转子结构l—转轴；2—前端盖；3—螺钉；4—轴承；5—定子组件；6—永磁体；7—传感器转子；8—传感器定子；9—后端盖；10—轴承；11—护环；12—转子轭二、永磁无刷直流电的工作原理转子上瓦形永磁材料在气隙中形成的磁场波形可近似为梯形波，如图14—5所示。

图14—5 永磁无刷直流电动机的主磁场密度波图形从图14—5的主磁场波形可见，永磁无刷直流电动机要的获得稳定的转矩，电枢绕组电流在不同极性下时应有相反的方向。

为了实现这一点，永磁无刷直流电动机设置了位置传感器，用来确认磁极与绕组之间的相对位置。

永磁无刷直流电动机系统如图14—6所示。

图14—6 永磁无刷直流电动机系统图14—6中位置传感器HL 与永磁无刷直流电动机的转子同轴连接。

控制电路对转子位置传感器检测到的磁极位置信号进行逻辑变换，产生脉宽调制信号，经过驱动电路放大后驱动逆变器各功率开关管，控制电动机三相绕组按一定顺序工作，以保持电枢绕组中产生跳跃式的气隙旋转磁场。

下面以二极无刷直流电动机为例来说明其工作原理。

永磁无刷直流电动机的工作原理如图14—7所示。

(a) (b)图14—7 永磁无刷直流电动机的工作原理(a) 转子处于B 相绕组平面；(b) 转子处于A 相绕组平面当转子位置处于图14—7（a ）中的位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管1T ，6T 导通，即A 相绕组流入电流，B相绕组流出电流。

电流流通路径为：电源正1T →A →相绕组6T →B →相绕组→电源负，电枢绕组产生的空间合成磁势为a F ，如图14—17(a)所示。

此时定、转子磁场相互作用，拖动转子顺时针方向转动，1T 、6T 保持导通，a F 不动，转子磁极转动（转子转动）。

当转子转过60︒电角度，到达图14—7(b)中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管6T 截止、2T 导通。

这时电流流通路径为：电源正1T →A →相绕组C →相绕组2T →→电源负。

这时电枢绕组在空间合成磁场如图14—7(b)中a F ，图中的虚线表示前一个状态的a F 位置。

此时定、转子磁场相互作用，使转子继续沿顺时针方向转动。

以此类推。

当转子沿顺时针每转过60︒电角度时，功率开关管的导通逻辑改变一次触发信号。

当转子转过360°电角度，即一对极距时，开关器件按61T T →12TT →23T T →34T T→45T T →56T T 轮换一次。

每一个导通状态要持续60°电角度，例如1T 6T 导通保持60︒电角度，在这60︒电角范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成磁场由于电枢绕组导通不变而在空间保持位置不动。

可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种步进式旋转磁场，每个步进角是60︒电角度。

综合以上分析，电机有6个状态，每一状态都是两相导通60︒，每相绕组中流过电流的时间为120︒电角度，每个开关管的导通角为120︒。

这和前面介绍的晶闸管无换向器电机的情况相同。

图14—8 梯形波反电势与方波电流无刷直流电动机采用方波电流驱动，与120︒导通型三相逆变器相匹配，由逆变器向电动机提供三相对称的、宽度为120︒的方波电流。

方波电流应与电势同相位或位于梯形波反电势的平顶宽度范围内，如图14—8所示。

这是因为电枢绕组设计成集中绕组的原因。

三、 电压方程、电磁转矩和转速下面以上述分析为例，推导永磁无刷直流电动机的电压方程、电磁转矩和转速等公式。

为了便于分析，忽略开关管器件的开关过程和电枢绕组的电感。

1．电压方程如果每根导体的感应电势为e B lv δ=，电枢每相绕组感应电势为2ph E Ne = （14—1）式中，N 为电枢绕组每相串联匝数。

将2/60v p n τ=和B l δδταΦ=代入式（14—1）得无刷永磁直流电动机电枢绕组感应电势为15ph pN E n δα=Φ （14—2） 式中，α为极弧系数，是由磁密波的非线性分布引起的磁密和磁通之间的计算系数。

由于上例中的永磁无刷直流电动机总是两相导通，对于直流电源来说，电枢感应电势的值应为两相之和，即 2215a ph e pN E E n C n δδα==Φ=Φ （14—3） 式中，2/15e C pN α=为电机的电势常数。

根据图14—6永磁无刷直流电动机系统，可得在每个导通时间内的电压方程为22d a a a U E I R U =++∆ （14—4）式中，d U 为电源电压；U ∆为开关管的导通管压降；a I 为每相绕组电流；a R 为每相绕组电阻。

2．电磁转矩em T根据直流电机原理，永磁无刷直流电动机的电磁功率是2em ph a P E I =，其电磁转矩为224152/602/60a ph a em em a T a pN nI E I P pN T I n n C I δδδαπππαΦ====ΦΩ=Φ （14—5） 式中，4T pNC πα=为转矩常数，当电流为A ，磁通为Wb 时，em T 为N m ⋅。

3．转速n 将式(14—3)代人式(14—4)得转速n 为22d a a e U U I R n C δ-∆-=Φ （14—6） 理想空载转速为 02d e U U n C δ-∆=Φ （14—7） 式中，转速的单位均为/min r 。

4．机械特性和调节特性（1） 机械特性根据式（14—5）和式（14—16）可得到无刷直流电动机的机械特性为022222d a a em em e e T e T U U R R n T n T C C C C C δδδ-∆=-=-ΦΦΦ （14—8） 从式（14—8）可见，永磁无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动机的机械特性的表达式相同，但机械特性较硬，如图14—9中曲线所示。