同步電機(jī)——永磁無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

1．永磁無刷直流電動機(jī)本體結(jié)構(gòu)

( l）定子結(jié)構(gòu)。永磁無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與調(diào)速永磁同步電動機(jī)相似，定子鐵心中放置繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁磁極。由于永磁無刷直流電動機(jī)應(yīng)用場合多種多樣，其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式比永磁同步電動機(jī)更加多樣化，圖7一4為其常用的定子結(jié)構(gòu)形式。分?jǐn)?shù)槽定子結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多，特別是圖7一4 ( a）所示轉(zhuǎn)子極數(shù)和定子槽數(shù)之比為2 / 3的結(jié)構(gòu)，相繞組線圈繞在一個定子齒上，每對磁極下有三個定子齒。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：繞組端部尺寸小，繞組利用率高，一個線圈可以形成一個獨立的磁極，相繞組之間互感??；缺點是：相繞組不能與全部轉(zhuǎn)子磁場禍合，永磁體利用率低。圖7一4 ( b）為無齒槽結(jié)構(gòu)，定子繞組均勻分布于定子鐵心內(nèi)表面的氣隙中。由于無定子齒，不產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，非常適于對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和振動、噪聲要求較高的場合。但此結(jié)構(gòu)也會帶來一些不利影響：①繞組的分布區(qū)域大，由于繞組導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鐵心，繞組內(nèi)部散熱能力差，溫升高；②電機(jī)內(nèi)的有效氣隙為轉(zhuǎn)子表面到定子鐵心內(nèi)圓的距離，遠(yuǎn)大于普通電機(jī)的有效氣隙，氣隙磁密低，為獲得較高的氣隙磁密，需增大永磁體厚度，使電機(jī)的成本增加。圖7一4 ( c）為整數(shù)槽結(jié)構(gòu)，每極每相槽數(shù)q為整數(shù)，定子繞組多為雙層疊繞組或單層同心式繞組。該定子結(jié)構(gòu)形式在永磁無刷直流電動機(jī)中應(yīng)用廣泛。

( 2）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。永磁無刷直流電動機(jī)中，主磁場由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖7一5所示。圖7一5 ( a）中兩片永磁體形成兩個轉(zhuǎn)子N極，通過轉(zhuǎn)子鐵心的凸極形成兩個S極。該結(jié)構(gòu)可使永磁轉(zhuǎn)子所需的永磁體片數(shù)降低一半，但凸極結(jié)構(gòu)會使定子繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置而變化，產(chǎn)生附加的磁阻轉(zhuǎn)矩。圖7一5 ( b）中的永磁體切向充磁，可獲得較大的氣隙磁密，使用鐵氧體永磁時多采用此結(jié)構(gòu)，既能降低成本又能獲得較高的氣隙磁密。但此結(jié)構(gòu)的電樞反應(yīng)磁場較強(qiáng)，會引起氣隙磁場畸變。圖7一5 ( c）中，轉(zhuǎn)子永磁磁極之間為鐵心，運行時產(chǎn)生一附加磁阻轉(zhuǎn)矩，通過合理設(shè)計可以使該磁阻轉(zhuǎn)矩為有用的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度。對于多極永磁無刷直流電動機(jī)，轉(zhuǎn)子多采用圖7一5 ( d）所示的結(jié)構(gòu)，雖然其磁性能較低，但結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、成本低，故應(yīng)用較多。圖7一5 ( e）、（f）、（g）所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體均為表面安裝，且一般為平行充磁，永磁體直接面對氣隙，氣隙磁場較強(qiáng)。由于永磁材料磁導(dǎo)率低，所以定子繞組電感較小，電樞反應(yīng)磁場較弱，對永磁無刷直流電動機(jī)的運行有利。對永磁體的外圓、厚度和極弧寬度進(jìn)行優(yōu)化，可以有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩。

2．逆變器

逆變器的主要作用是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號適時給定子繞組通電，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為橋式逆變和半橋式逆變電路兩種，如圖7一6所示。其中圖（a）為半橋式逆變電路，電機(jī)工作于單相導(dǎo)通的三相三狀態(tài)工作方式，圖（b）、（c）為橋式逆變電路，電機(jī)工作于兩相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)工作方式，其中應(yīng)用最廣泛的是圖（b）所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于電機(jī)相繞組感應(yīng)電動勢非正弦，其中含有大量的三次諧波，所以圖（c）所示的繞組連接方式很少采用。此外，還有四相、五相橋式逆變電路，其繞組導(dǎo)通時間較三相橋式逆變電路長，提高了繞組利用率和功率密度，但逆變電路復(fù)雜，成本較高。

3．轉(zhuǎn)子位置傳感器

轉(zhuǎn)子位置傳感器是永磁無刷直流電動機(jī)的重要部件，其作用是檢測轉(zhuǎn)子位置以獲得轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)邏輯處理產(chǎn)生相應(yīng)的逆變器驅(qū)動信號。轉(zhuǎn)子位置傳感器一般包括傳感器轉(zhuǎn)子和傳感器定子兩部分，其中傳感器轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝，二者同步旋轉(zhuǎn)；傳感器定子固定在電機(jī)定子或端蓋上，傳感器定子和傳感器轉(zhuǎn)子之間的位置關(guān)系直接反映了永磁無刷直流電動機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的位置關(guān)系。轉(zhuǎn)子位置傳感器主要有磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、旋轉(zhuǎn)編碼器等，其中常用的有以下幾種：

( l）霍爾元件式位置傳感器

( 2）光電式位置傳感器。

出寬度為1200電角度的交變信號，將這些信號整流即得轉(zhuǎn)

( 3）電磁式位置傳感器。電磁式位置傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)位置檢測的。圖7一n為由開口變壓器構(gòu)成的電磁式位置傳感器，定子磁心固定在電機(jī)定子上，轉(zhuǎn)子磁心與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接，它們均由高頻軟磁材料構(gòu)成。定子磁心上繞有高頻交流勵磁線圈（約幾千赫茲），通電的勵磁線圈在磁心中產(chǎn)生高頻交變磁場。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁心先后與不同的定子齒禍合，在輸出繞組中依次感應(yīng)子磁極的位置信號。電磁式位置傳感器輸出信號強(qiáng)，無需放大，并且抗沖擊能力強(qiáng)，可靠性好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大。