永磁直流无刷电机和永磁同步电机

直流无刷电机工作原理

所谓直流无刷电机，是具备直流电机与交流电机之优点，对于以往直流电机之用途，连近年来交流电机之用途，均有直流无刷电机被加以利用，就构造而言，若将有电刷的永磁式直流伺服电机的定子与转子互换就成为永磁式直流无刷伺服电机，不过无刷式电机的定子线圈为三相绕组，故基本上其为交流电机，直流无刷是沿用产业惯用之名称。直流无刷电机是将传统的DC电机之整流部份（电刷及换向器）以电子方式代替且保留DC电机可急遽加速，转速和外加电压成正比，转矩和电枢电流成正比等优点，为一特性非常优良之电机。直流无刷电机最大的特征为无刷构造的关系，原理上不会产生噪声。无刷电机之激磁部份在转子上由永久磁铁构成，电枢位于定子上，因此可以不需要电刷传导电流。因此其驱动电路一般均使用PWM型变频器，再配合霍尔组件或分解器等磁极检测组件，可得圆滑且稳定之转矩，常用于需要高速及高精度控制之情况。

常用的传统直流电机的缺点：

电刷与换向片的高速滑动，造成电刷与换向片磨擦甚巨，如此一来引起不必要的种种电气障碍与故障。

改进方式：

直流无刷电机针对此缺点改进，取代引起毛病的电刷与换向片，改以电子组件代替，但原有直流机的优点仍能保留，故无刷直流电机可说是传统直流电机改进而成的。

无刷电机与有刷电机之差异与比较：

· 有刷电机

以机械式整流子或电刷来控制换向动作

· 无刷电机

以电子式的晶体管来控制换相动作。

利用磁场力的吸引及磁场的变化(换向)来达成旋转输出的动作。

电子式的换向器主要是利用Hall Sensor 感应电机位置的变化，以控制晶体管的开或关。

无刷电机与有刷电机之差异

无刷电机与有刷电机之比较

(1)换向时不易产生高温之电弧及金属屑。

(2)电气噪声少，可靠度高、寿命长且易高速化。

(3)低电压、起动快、易控制。

(4)制造容易、体积小。

(5)可适用于高温环境下且维修费低。

(6)在电刷部分不产生碳粉、油雾等之污垢。

迫札再柱１ｌ；ｌＪ应用２０１３，４０（７）　研究与设计ＥＭＣＡ　

基于永磁同步电机的无刷直流电机建模仿真　

３　殷　帅’，　吕彩琴’，　王　凯’，　张化冰　，　王　越。　

中北大学机电工程学院车辆与动力工程系，山西太原０３００５１；　２．北方华德尼奥普兰客车股份有限公司，北京１０００７２；　河南柴油机重工有限责任公司技术中心，河南洛阳４７１００３）　

摘要：以无刷直流电机的内部结构和数学模型为基础，提出一种基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块库中永磁　同步电机（ＰＭＳＭ）模块的无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）建模与仿真新方法。在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中，通过建立独　立功能模块，并结合Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块库下ＰＭＳＭ模块和通用电桥模块等，对该模块进行有机整合，搭建出　ＢＬＤＣＭ系统仿真模型。该模型采用双闭环控制，外环为速度环，采用ＰＩ控制，以稳定转速和抗负载扰动；内　环为电流环，以稳定电流。仿真结果证明，采用ＰＭＳＭ仿真ＢＬＤＣＭ，在建模过程中具有简洁高效且模型更加　精确的优点，此模型为改进其他控制算法提供了建模仿真基础。　关键词：无刷直流电机；永磁同步电机；滞环控制；仿真　中图分类号：ＴＭ　３５１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３－６５４０（２０１３）０７—００１９￣５　

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　

ＹＩＮ　Ｓｈｕａｉ　，ＬＶ　Ｃａｉｑｉｎ　，　ＷＡＮＧ　Ｋａｉ　，　ＺＨＡＮＧ　Ｈｕａｂｉｎｇ　，　ＷＡＮＧ　Ｙｕｅ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５　１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｎｏｒｔｈ　Ｈｕａｄｅ　Ｎｅｏｐｌａｎ　Ｂｕｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００７２，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｔｅｃｈｉｑｕｅ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈｅｎａｎ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７１００３，Ｃｈｉｎａ）　

通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。

两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。

无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，

逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。

本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制

策略。

两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。

最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。

仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于：

1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。

无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较

1.在电动机结构与设计方面

这两种电动机的基本结构相同，有永磁转子和与交流电动机类似的定子结构。但永磁同步电动机要求有一个正弦的反电动势波形，所以在设计上有不同的考虑。它的转子设计努力获得正弦的气隙磁通密度分布波形。而无刷直流电机需要有梯形反电动势波，所以转子通常按等气隙磁通密度设计。绕组设计方面进行同样目的的配合。此外，BLDC控制希望有一个低电感的绕组，减低负载时引起的转速下降，所以通常采用磁片表贴式转子结构。内置式永磁（IPM）转子电动机不太适合无刷直流电动机控制，因为它的电感偏高。IPM结构常常用于永磁同步电动机，和表面安装转子结构相比，可使电动机增加约15%的转矩。

2.转矩波动

两种电动机性能最引人关注的是在转矩平稳性上的差异。运行时的转矩波动由许多不同因素造成，首先是齿槽转矩的存在。已研究出多种卓有成效的齿槽转矩最小化设计措施。例如定子斜槽或转子磁极斜极可使齿槽转矩降低到额定转矩的1%～2%以下。原则上，永磁同步电动机和无刷直流电动机的齿槽转矩没有太大区别。

其他原因的转矩波动本质上是独立于齿槽转矩的，没有齿槽转矩时也可能存在。如前所述，由于永磁同步电动机和无刷直流电动机相电流波形的不同，为了产生恒定转矩，永磁同步电动机需要正弦波电流，而无刷直流电动机需要矩形波电流。但是，永磁同步电动机需要的正弦波电流是可能实现的，而无刷直流电动机需要的矩形波电流是难以做到的。因为无刷直流电动机绕组存在一定的电感，它妨碍了电流的快速变化。无刷直流电动机的实际电流上升需要经历一段时间，电流从其最大值回到零也需要一定的时间。因此，在绕组换相过程中，输入到无刷直流电动机的相电流是接近梯形的而不是矩形的。每相反电动势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°。正是这种偏离导致无刷直流电机存在换相转矩波动。在永磁同步电动机中驱动器换相转矩波动几乎是没有的，它的转矩纹波主要是电流纹波造成的。