【摘要】阐述当气隙磁场为正弦分布和定子绕组电流为准方波时，在永磁无刚直流电动机机械特性的高速段引起的非线性，并对此非线性进行了理论计算。经一台15W三相三状态稀土永磁无刷直流电动机的试验，证明了计算结果的正确性。文中还计算了永磁无刷直流电动机的空载转速和绕组导角的关系，并提出了机械特性高速段非线性的改善措施。

    【主题词】无刷直流电动机，永磁电机，波形，匹配，理论，计算，性能

    有刷永磁直流电动机以其效率高、单位体积输出功率大，而得到广泛的应用。特别是永磁直流力矩电动机，更以它的空载转速低，单位体积输出转矩大而月于直接驱动负载，简化了减速机构，提高了系统的精度和可靠性。但是，这类电机有一个****的缺点，就是需要电刷和换向器，由此而引起电刷磨损，刷粉污染局部环境，降低铁心和绕组间的绝缘电阻，电刷和换向器间的接触电阻不稳定，增加了摩擦转矩，而且这一转矩不稳定等。永磁直流驱动电动机的国家标准规定，在电动机的寿命期内，可以更换两次电刷。永磁直流力矩电动机的国家标准规定，在寿命试验中，每工作2dh，可以清理一次电刷和换向器。这类措施对于电动机的正常工作是有效的，但是对于使用者，要进行这项工作是很困难的，有时甚至不可能。这样，电刷的使用期实际上限制了电动机的寿命。无刷直流电动机的出现。正是为了解决这一矛盾。这类具有同步电机结构，又有永磁直流电机外特性的电机，实际上是一种功角恒定的变频同步电机，其频率和功角的大小由与其同轴的位置传感器决定。由于取消了电刷和换向器，使其故障间隔平均时间(MTBF)由有刷时的400h提高到20000h，同时降低了噪音，便于散热等。

    无刷直流电机的发展和稀土永磁材料及功率电子器件的发展息息相关。从60年代末的第一代稀土永磁材料（1：5型稀土永磁）到1983年和第三代稀土永磁材料（钕铗硼永磁材料）仅仅用了1O多年时间。不久前，50MGO的永磁材料已在实验室研制出来。在功率电子器件方面，高压、大电流、小体积的半导体器件不断出现。这些因素对于无刷直流电机在航空航天飞行器主控制伺服系统中的应用及其智能化起着决定性的作用，为全电飞行器的研制创造了必要的条件。

    无刷直流电动机的种类很多，它们的相数、控制方式和传感器的原理等各不相同。按其功能，它们可分为驱动和伺服两类。当前使用的无刷直流电动机，相当大部分用于驱动负载作恒速运动。对于这类电动机的基本要求是：在一定的输出功率下，尽可能地提高其效率和减少有效材料的用量，特别是减少稀土材料的用量。对于伺服类无刷电动机，除了上述基本要求以外，还需要有较好的低速平稳性，较好的机械特性线性度等。影响这些性能的因素很多，本文考虑到当绕组反电势的瞬时值大于外加电压时，定子绕组电流为零这一事实，在气隙磁场为正弦分布和定子绕组电流为准方波的情况下，空载转速附近永磁无刷直流电动机机械特性的计算，并在一台三相三状态稀土永磁无刷直流电动机上对计算结果的正确性作了试验验证。本文还计算了这类电动机的空载转速和绕组导通角的关系。最后，简要地提出了机械特性高速段非线性的改善措施。

    假设

    a．磁路为线性。   

    b．气隙磁场为正弦分布。

    c·定子绕组的电感忽略不计。

    d．与定子绕组串联的功率管处于开关工作状态。在导通状态时，忽略其管压降。

    当无剧直流电动机的控制电路处于开关工作状态时，加在其绕组两端的电压为方波，但是气隙磁场在绕组中产生的反电势为正弦波。下面计算在不同的转速时，这两种波形相互作用产生的平均电流和平均转矩。

    设绕组的导通角，最小允许导通角值与相数、绕组的连接和控制方式有关。反电势的瞬时值与绕组端电压相等时的导通角。

        

  可把机械特性分布为两部分：低速部分；高速部分。

  绕组中的平均电流为（图1）

  

      

    由式(3)可见，定子绕组电流的平均值和电磁转矩的平均值与转速成线性关系。随着增加，of逐渐增大，电流和电磁转矩的平均值和转速的关系将出现非线性。

    电动机的理论空载旋转角频率

    当=O时的平均电磁转矩

   

    理论空载角频率及平均电磁转矩为基值，则有

  

    应用式(2)、(3)、(5)，计算一台三相三状态稀土永磁无刷直流电动机的特性。该电动机的参数为

 

    由式(2)可以计算出在不同绕组端电压时的电磁转矩（见表l。）

    由式(4)、(5)可以求得相对空载转速石：和系数面与绕组导通角c}的关系（见2表和图2）。

 

    被试电机是一台15w三相三状态稀土磁无刷直流电动机，该电机的转子上有两块120。径向充磁的瓦片形稀土磁钢。定子铁心槽数为l2，气隙磁场在定子绕组中产生的反电势接近正弦波。位置传感器的定子部分为6块霍耳片。

    由于本文所提出的非线性产生原因仅影响机械特性的高速部分故机械特性计算值与实测值的比较仅限于高速部分。图3给出了计算值和实测值。

 

由于被试电动机存在摩擦转矩，小于此转矩值的电磁转矩已无法由实验直接测得。

    a由于定子绕组电流和反电势波形不匹配，当转子转速超过某一数值后，定子绕组电流和龟磁转矩的平均值将不与转速成线性关系，电动机的机械特性出现非线性。

    b．随着绕组导通角的增加，这类波形六匹配无刷永磁直流电动机的理想空载转速（即电磁转矩平均值为零时的转速）将迅速增加。对于三相三妆态无刷直流申动机当导通角为180度（电角度）时，理想空载转速趋于无穷大。随着导通角的增加，启动转矩增加缓慢，但是理想空载转速却迅速增加，致使电动机的阻尼系数（启动转矩／理想空载转速），减小。   

    c．由于在机械特性高速段产生非线性的主要原因是方波电流和正弦波反电势不匹配，因此，若控制电路处于开关工作状态，采用方波分布的气隙磁场和特殊分布的楚子绕组是改善这一非线性特性的有效措施。