同步電機——永磁無刷直流電動機的結構

1．永磁無刷直流電動機本體結構

( l）定子結構。永磁無刷直流電動機的結構與調速永磁同步電動機相似，定子鐵心中放置繞組，轉子上有永磁磁極。由于永磁無刷直流電動機應用場合多種多樣，其定、轉子結構形式比永磁同步電動機更加多樣化，圖7一4為其常用的定子結構形式。分數槽定子結構應用較多，特別是圖7一4 ( a）所示轉子極數和定子槽數之比為2 / 3的結構，相繞組線圈繞在一個定子齒上，每對磁極下有三個定子齒。此結構的優(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?。蝗秉c是：相繞組不能與全部轉子磁場禍合，永磁體利用率低。圖7一4 ( b）為無齒槽結構，定子繞組均勻分布于定子鐵心內表面的氣隙中。由于無定子齒，不產生齒槽轉矩，非常適于對轉速穩(wěn)定性和振動、噪聲要求較高的場合。但此結構也會帶來一些不利影響：①繞組的分布區(qū)域大，由于繞組導熱能力遠遠低于鐵心，繞組內部散熱能力差，溫升高；②電機內的有效氣隙為轉子表面到定子鐵心內圓的距離，遠大于普通電機的有效氣隙，氣隙磁密低，為獲得較高的氣隙磁密，需增大永磁體厚度，使電機的成本增加。圖7一4 ( c）為整數槽結構，每極每相槽數q為整數，定子繞組多為雙層疊繞組或單層同心式繞組。該定子結構形式在永磁無刷直流電動機中應用廣泛。

( 2）轉子結構。永磁無刷直流電動機中，主磁場由轉子上的永磁體產生，常見的轉子結構如圖7一5所示。圖7一5 ( a）中兩片永磁體形成兩個轉子N極，通過轉子鐵心的凸極形成兩個S極。該結構可使永磁轉子所需的永磁體片數降低一半，但凸極結構會使定子繞組電感隨轉子位置而變化，產生附加的磁阻轉矩。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構，既能降低成本又能獲得較高的氣隙磁密。但此結構的電樞反應磁場較強，會引起氣隙磁場畸變。圖7一5 ( c）中，轉子永磁磁極之間為鐵心，運行時產生一附加磁阻轉矩，通過合理設計可以使該磁阻轉矩為有用的驅動轉矩，提高電機的功率密度。對于多極永磁無刷直流電動機，轉子多采用圖7一5 ( d）所示的結構，雖然其磁性能較低，但結構簡單、工藝性好、成本低，故應用較多。圖7一5 ( e）、（f）、（g）所示轉子結構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。由于永磁材料磁導率低，所以定子繞組電感較小，電樞反應磁場較弱，對永磁無刷直流電動機的運行有利。對永磁體的外圓、厚度和極弧寬度進行優(yōu)化，可以有效抑制齒槽轉矩。

2．逆變器

逆變器的主要作用是根據轉子位置信號適時給定子繞組通電，其拓撲結構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，電機工作于單相導通的三相三狀態(tài)工作方式，圖（b）、（c）為橋式逆變電路，電機工作于兩相導通的三相六狀態(tài)工作方式，其中應用最廣泛的是圖（b）所示的拓撲結構。由于電機相繞組感應電動勢非正弦，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，但逆變電路復雜，成本較高。

3．轉子位置傳感器

轉子位置傳感器是永磁無刷直流電動機的重要部件，其作用是檢測轉子位置以獲得轉子位置信息，經邏輯處理產生相應的逆變器驅動信號。轉子位置傳感器一般包括傳感器轉子和傳感器定子兩部分，其中傳感器轉子與電機轉子同軸安裝，二者同步旋轉；傳感器定子固定在電機定子或端蓋上，傳感器定子和傳感器轉子之間的位置關系直接反映了永磁無刷直流電動機定轉子之間的位置關系。轉子位置傳感器主要有磁敏式、電磁式、光電式、接近開關式、旋轉編碼器等，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

( 3）電磁式位置傳感器。電磁式位置傳感器是根據電磁感應原理實現位置檢測的。圖7一n為由開口變壓器構成的電磁式位置傳感器，定子磁心固定在電機定子上，轉子磁心與電機轉子同軸連接，它們均由高頻軟磁材料構成。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生高頻交變磁場。隨著轉子的旋轉，轉子磁心先后與不同的定子齒禍合，在輸出繞組中依次感應子磁極的位置信號。電磁式位置傳感器輸出信號強，無需放大，并且抗沖擊能力強，可靠性好，但其結構復雜、體積大。