永磁同步電機(jī)之永磁直流電動機(jī)的動態(tài)特性

永磁直流電動機(jī)的一個重要用途是作為控制用電動機(jī)，是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，如永磁直流伺服電動機(jī)和永磁直流力矩電動機(jī)等。前者將輸入的電壓信號變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出；后者能夠長期處于堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)下工作并輸出大轉(zhuǎn)矩，可以不經(jīng)過齒輪等減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動負(fù)載。對于這類用途的永磁直流電動機(jī)，往往對其動態(tài)性能有嚴(yán)格的要求。一般要求電機(jī)具有優(yōu)良的快速響應(yīng)特性，即要求電機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)小、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比大；調(diào)速范圍寬；另外還要求電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動小，低速運(yùn)行平穩(wěn)．

1永磁直流電動機(jī)的動態(tài)方程

為了滿足自動控制系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求，當(dāng)電壓控制信號改變時，要求電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化能迅速跟上控制信號的改變，就要求電動機(jī)的動態(tài)過渡過程越短越好。永磁直流電動機(jī)的動態(tài)過程是一個非常復(fù)雜的機(jī)電瞬變過程。在整個機(jī)電過渡過程中，電氣過渡過程和機(jī)械過渡過程同時存在，兩者交疊在一起，又相互影響。

永磁直流電動機(jī)的動態(tài)方程如下：。

2永磁直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)和時間常數(shù)

對式（5 -53 ) 與 ( 5一56）進(jìn)行拉普拉斯變換，并令全部初始條件為零，整理可得：以外施電壓U ( '）和負(fù)載轉(zhuǎn)矩T ,為輸入量，以角速度（,）為輸出量，由式（5-57 )和 ( 5一60）可作出永磁直流電動機(jī)的動態(tài)方程框圖，如圖5一30所示。由圖可見，永磁直流電動機(jī)本身是一個閉環(huán)系統(tǒng)，感應(yīng)電動勢引入了與電動機(jī)角速度成正比的負(fù)反饋信號，增加了系統(tǒng)的有效阻尼。

通常，由于電樞繞組電感幾很小電氣時間常數(shù)乙與機(jī)械時間常數(shù)‘相比要小得多，所以往往可以略去電動機(jī)的電氣過渡過程，即近似認(rèn)為：此時電壓一角速度傳遞函數(shù)變?yōu)椤Ｓ绊戨妱訖C(jī)時間常數(shù)的因素很多，除了電磁參數(shù)以外，機(jī)械參數(shù)也對時間常數(shù)有很大影響，在電機(jī)設(shè)計中要全面考慮。

3永磁直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動和低速平穩(wěn)性

在永磁直流電動機(jī)的某些應(yīng)用場合，如數(shù)控機(jī)床、加工中心及航空航天工程等．要求電動機(jī)能夠在低速時輸出較大的轉(zhuǎn)矩且能平穩(wěn)運(yùn)行，即要求電動機(jī)具有良好的低速平穩(wěn)性。影響永磁直流電動機(jī)低速平穩(wěn)性的直接因素是轉(zhuǎn)矩脈動，良好的低速平穩(wěn)性要求電動機(jī)在低速時轉(zhuǎn)矩脈動小。引起電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的因素主要有兩個方面：

1）換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動在理想情況下，電機(jī)的換向發(fā)生在零磁密處，元件中電流的切換不會引起轉(zhuǎn)矩的脈動。但實(shí)際上，一方面因電樞反應(yīng)使氣隙磁密分布發(fā)生畸變和繞組短距等原因，換向不是發(fā)生在零磁密處；另一方面又因電動機(jī)的元件數(shù)和換向片數(shù)不可能無限多，支路元件數(shù)和支路電動勢都在波動。此外還由于換向器表面不平，使電刷與換向器之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)矩有所變化，這些因素都會使永磁直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動。

2）齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動在有槽電樞永磁直流電動機(jī)中，由于齒槽的存在，使永磁體與所對著的電樞表面間的氣隙磁導(dǎo)不均勻，由此產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，引起電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的脈動。為了減小因換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動，主要在結(jié)構(gòu)上采取措施，一般采用多槽結(jié)構(gòu)，增加元件數(shù)和換向片數(shù)，并使電刷的寬度適當(dāng)減小，相應(yīng)使換向區(qū)變小。對于多極電動機(jī)，電樞繞組采用單波繞組，以消除多極磁場不對稱對電樞繞組電動勢的影響，保證支路電動勢平衡。此外，單波繞組還可減少電刷對數(shù)，使摩擦力矩有所降低，從而削弱因摩擦帶來的轉(zhuǎn)矩脈動。對于由電樞齒槽所引起的轉(zhuǎn)矩脈動，可采取以下措施加以削弱：

1）盡可能增多電樞槽數(shù)，適當(dāng)加大電動機(jī)的氣隙，以降低氣隙磁阻不均勻度，減小由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。

2）減小槽口寬度，采用磁性槽楔，以減小氣隙磁阻的變化，削弱磁阻轉(zhuǎn)矩。

3）采用奇數(shù)槽，使電動機(jī)的槽數(shù)與極對數(shù)之間無公約數(shù)，以削弱電樞轉(zhuǎn)動時引起的電動機(jī)磁場的波動，減小轉(zhuǎn)矩脈動．

4）采用斜槽，以削弱或消除齒諧波磁場所引起的轉(zhuǎn)矩脈動．對于對低速平穩(wěn)性有更高要求的電動機(jī)，除了考慮采取上述措施外，還可考慮采取特殊的電樞結(jié)構(gòu)。如無鐵心電樞結(jié)構(gòu)、無槽電樞結(jié)構(gòu)、動圈式結(jié)構(gòu)及印制電路繞組等采用這些結(jié)構(gòu)不僅可極大地削弱或消除由于齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動，還可大大減小電動機(jī)的轉(zhuǎn)動噴量，使電動機(jī)具有優(yōu)良的決速響應(yīng)特性。