永磁無刷電動機

與傳統的電勵磁電動機相比，永磁電動機特別是稀土永磁電動機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量小、損耗少、效率高，以及電動機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點，因為應用範圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業生產和日常生活的各個領域。

永磁無刷電動機可以看做是一台用電子還相裝置取代機械換相的直流電動機，如圖1 所示，永磁直流無刷電動機主要由永磁電動機本體、轉子位置感測器和電子換向電路組成。無論是結構或控制方式，永磁直流無刷電動機與傳統的直流電動機都有很多相似之處：用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極；用具有多相繞組的定子取代電樞；用由固態逆變器和軸位置檢測器組成的電子換向器取代機械換向器和電刷。

電動機本體和永磁同步電動機（PMSM）相似，轉子採用永磁磁鐵，目前多使用稀土永磁材料，但沒有籠式繞組和其他啟動裝置。其定子繞組採用交流繞組行駛，一般支撐多相（三相、四相或五相），轉子由永磁鋼按一定極對數（2P=2,4,6…）組成。設計中要求在定子繞組中獲得頂寬為120°的梯形波，因此繞組行駛往往採用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保留磁密中的其他諧波。有刷直流電動機是依靠接卸換向器將直流電流轉換位近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動機是依靠電子換向器將方波電流按一定的相序逐次輸入到定子的各相電樞繞組中。當無刷直流電動機定子繞組的某相通電時，該相電流產生的磁場與轉子永久磁鐵所單勝的磁場相互作用而產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉。位置感測器將轉子磁鐵位置變換成電信號去控制電子開關線路，從而使定子的各項繞組按一定的次序導通，使定子的相電流隨轉子位置的變化而按正確的次序換相。這樣才能讓電子磁場隨轉子的旋轉不斷地變化、產生於轉子轉速同步的旋轉磁場，並使定子磁場與轉子的磁場始終保持90°左右的空間角，用最大轉矩推動轉子旋轉。由於電子開關線路的導通次序與轉子轉角同步，起到機械換向器的換向作用，保證了電動機在運行過程中定子與族漢子的磁場始終保持基本垂直，以提高運行效率。所以無刷直流電動機就其基本結構而言，可以人為是一台由電子開關換相電流、永磁式同步電動機以及位置感測器三者組成的“自同步電動機系統”，它在運行過程中不會失步。永磁無刷電動機BLDCM 的轉子結構既有傳統的內轉子結構，又有今年來出現的額盤式結構、外轉子結構和線性結構等新型結構形式，伴隨著新型永磁材料的實用化，電動機轉子的結構越來越多樣化，使電動汽車電機永磁無刷電動機BLDCM 正朝著高出力、高精度、微型化合耐環境等多種用途發展。

轉子位置感測器有光電式、磁敏式和電磁式三種類型。

採用光電式位置感測器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電感測器件，轉子裝有遮光板，光源為發光二極體或小燈泡。轉子旋轉時，由於遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇發出脈衝信號。

磁敏式位置感測器是指它的某些點闡述隨周圍磁場按一定規律變化的半導體敏感元件，其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。磁敏元件的主要工作原理是電流的磁效應，主要是霍爾效應。採用磁敏式位置感測器的無刷直流電動機，其磁敏感測器件（如霍爾元件、磁敏二極體、磁敏三極體、磁敏電阻器或專用集成電路）裝載定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。

採用電磁式位置感測器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝電磁感測器部件，當永磁體轉子位置發生變化時，電磁效應將使電磁感測器長生高頻調製信號（其幅值隨轉子位置的變化而變化）。

幾年來還出現了無位置感測器的無刷直流電動機，詞中電動機利用定子繞組的反電動勢作為轉子磁鐵的位置信號，該信號檢出后，經數字電路處理，送給邏輯開關電路去控制無刷直流電動機的換向。由於它省去了位置感測器，是的無刷電動機的結構更加緊湊，所以應用日趨廣泛。

電子換向電路由功率變換電路和控制電路兩大部分組成，它與位置感測器相配合，控制電動機定子各相繞組的通電順序和時間，起到與機械換向類似的作用。

當系統運行時，功率變換器接受控制電路的控制信息，間該系統工作電源的功率以一定的邏輯關係分配給直流無刷電動機定子上的各相繞組，以便使電動機產生持續不斷的轉矩。逆變器將直流電流轉換成交流電流想電動機供電，與一般逆變器不同，它輸出頻率不是獨立調節的，而是受控於轉子位置信號，是一個“自控式逆變器”。永磁無刷電動機BLDCM 由於採用自控式逆變器，電動機輸入電流的頻率和電動機轉速始終保持同步，電動機和逆變器不會產生振蕩和失步，這也是永磁無刷電動機BLDCM 的顯著優點之一。

電動汽車電機電動機各項繞組導通的順序和時間主要取決於來自位置感測器的信號，但位置床干起所產生的信號一般不能直接用來驅動功率變換器的功率開關元件，往往需要經過控制電路進行邏輯處理、隔離放大后才能驅動功率變換器的開關元件，往往需要經過控制電路進行邏輯處理、隔離方法后才能驅動功率變換器的開關元件。驅動空盒子電路的作用是將位置感測器檢測到的轉子位置信號進行處理，按一定的邏輯代碼輸出，去觸發功率開關管。永磁無刷直流電動機的工作原理

永磁無刷直流電動機的控制系統主要有永磁無刷直流電動機、直流電壓、逆變器、位置感測器和控制器幾部分組成，採用“三相六拍—120°方波型”驅動。如圖所示5.21所示。

永磁刷刷直流電動機通過逆變器功率管按一定的規律導通、關斷，使電動機定子電樞產生按60°電角度不斷前進的磁勢，帶動電動機轉子旋轉來實現的。分析如圖5.21所示。圖a是理想條件下的電樞各相反電勢和電流，每個功率管導通120°電角度，互差60°電角度，當功率管V3和V4導通時，電動機的V和—U（電流流進繞組方向為正向）相通(參考圖1)。定子電樞合成磁勢為圖b所示的Fa5；若功率管V3關斷，功率管V5導通，此時電動機的W相和—U相通電，電樞合成磁勢變為Fa5，Fa5 比Fa4順時針前進了60°電角度。由此可知，定子電樞產生的磁勢將隨著功率管有規律地不斷導通和關斷，並按60°電角度不斷地順時針轉動。逆變器功率管共有六種出發組合狀態，每種出發組合狀態只有與確定的轉子位置或發電動機波形相對應，才能產生最大的平均電磁轉矩。當兩個磁勢向量的夾角為90°是，相互作用力最大。而電子電樞產生的磁勢是以60°電角度在前進，因此在每種出發模式下，轉子磁勢與定子磁勢的夾角在60°~120°範圍變化才能產生最大的平均電磁轉矩。如圖c所示，假如在t1時刻，轉子的此時Fj處於線圈U、X平面內，且使轉子順時針旋轉，此時應該導通功率管V5和V4，使定子的合成磁勢為Fa5與Fj的夾角成120°。轉子在Fa5與Fj相互作用產生電磁轉矩的作用下順時針旋轉，到t3時刻Fa5與Fj的夾角成60°，此時關斷功率管V4，導通功率管V6，定子合成磁勢為Fa6，與Fj的夾角成120°，兩者產生的電磁轉矩使轉子進一步旋轉。

永磁無刷電動機控制理論的發展

交流電動機最初的運行方式是不受控運行。其控制功能僅限於接通和關斷以及某些情況下的輔助起動、制動和反轉。為了滿足一些調速傳動的需要，產生了一些性能較差的控制：如鼠籠非同步電動機降壓調速、繞線式非同步電動機轉子串電阻調速和電磁轉差離合器調速、繞線式非同步電動機串極調速、鼠籠非同步電動機變壓變頻調速（VVVF）、變極調速和同步電機變壓變頻調速。在以上調速方法中，除變壓變頻調速外，一般為開環控制，不需變頻器，設備簡單，但效率低，性能差。鼠籠非同步電動機基於恆壓頻比控制而構成的轉差頻率閉環控制，性能相對較好，但由於它們都是基於穩態模型，動態性能較差，一般只用於水泵、風機等動態性能要求較低的節能調速和一般調速場合。2）矢量控制1971年由德國學者Blaschke提出的矢量控制理論使交流電機控制由外部宏觀穩態控制深入到電機內部電磁過程的瞬態控制。永磁同步電機的控制性能由此發生了質的飛躍。矢量控制最本質的特徵是通過坐標變換將交流電機內部複雜耦合的非線性變數變換為相對坐標係為靜止的直流變數（如電流，磁鏈，電壓等），從中找到約束條件，獲得某一目標的最佳控制策略。?3）直接轉矩控制1985年，Depenbrock教授提出非同步電機直接轉矩控制方法。該方法在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，在近似圓形旋轉磁場的條件下強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量坐標變換等複雜的計算。其磁場定嚮應用的是定子磁鏈，只需知道定子電阻就可以把它觀測出來，相對矢量控制更不易受電機參數變化的影響。近年來，直接轉矩控制方式被移植到永磁同步電機的控制中，其控制規律和關鍵技術正逐漸被人們了解、掌握。直接轉矩控制在全數字化、大轉矩、快速響應的交流伺服系統中有廣闊應用前景。4）非線性控制交流電機是一個強耦合、非線性、多變數系統：非線性控制通過非線性狀態反饋和非線性變換，實現系統的動態解耦和全局線性化，將非線性、多變數、強耦合的交流電動機系統分解為兩個獨立的線性單變數系統。其中轉子磁鏈子系統由兩個慣性環節組成。兩個子系統的調節按線性控制理論分別設計，以使系統達到預期的性能指標。但是，非線性系統反饋線性化的基礎是已知參數的電動機模型和系統的精確測量或觀測，而電機在運行中，參數受各個因素的影響會發生變化，磁鏈觀測的準確性也很難論證，這些都會影響系統的魯棒性，甚至造成系統性能惡化。目前這種控制方法仍有待進一步完善。5）自適應控制自適應控制能在系統運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善，是克服參數變化影響的有力手段。應用於永磁交流電機控制的自適應方法有模型參考自適應、參數辨識自校正控制以及新發展的各種非線性自適應控制。但所有這些方法都存在的問題是：①數學模型和運算繁瑣，使控制系統複雜化；②辨識和校正都需要一個過程，所以對一些參數變化較快的系統，就會因來不及校正而難以產生很好的效果。?6）滑模變結構控制滑模變結構控制是變結構控制的一種控制策略，它與常規控制的根本區別在於控制的不連續性，即一種使系統“結構”隨時變化的開關特性。其主要特點是，根據被調量的偏差及其導數，有目地的使系統沿設計好的“滑動模態”軌跡運動。這種滑動模態是可以設計的，且與系統的參數及擾動無關，因而使系統具有很強的魯棒性。另外，滑模變結構控制不需要任何在線辨識，所以很容易實現。在過去10多年裡，將滑模變結構控制應用於交流傳動一直是國內外學者的研究熱點，並已取得了一些有效的結果。但滑模變結構控制本質上的不連續開關特性使系統存在“抖振”問題。主要原因是：①對於實際的滑模變結構系統，其控制力總是受到限制的，從而使系統的加速度有限；②系統的慣性、切換開關的時間空間滯后及狀態檢測的誤差，特別對於計算機的採樣系統，當採樣時間較長時，形成“准滑模”等。所以，在實際系統中“抖振”必定存在且無法消除，這就限制了它的應用。?7）智能控制專家系統智能控制專家控制(Expert control)是智能控制的一個重要分支。專家控制的實質是基於控制對象和控制規律各種知識，並以智能方式利用這些知識使控制系統儘可能優化。?專家控制的基本思想是：自動控制理論+專家系統技術。自動控制系統中存在大量的啟髮式邏輯，這是因為工業控制對象及其環境的變化呈現出多樣性、非線性和不確定性，這些啟髮式邏輯實際上是實現最優控制目標的各種經驗知識，難以用一般的數值形式描述，而適於用符號形式來表達，人工智慧中的專家系統技術恰恰為這類經驗知識提供了有效的表示和處理方法。?知識庫和推理機為專家系統的兩大要素，知識庫存儲某一專門領域的專家知識、條目，推理機制按照專家水平的問題求解方法調用知識庫中的知識條目進行推理、判斷和決策。專家系統與傳統自動控制理論的結合，形成了專家控制系統，這類系統以模仿人類智能為基礎，彌補了以數學模型為基礎的控制系統的不足。目前專家控制的研究大致包括用於傳統PID控制和自適應控制的專家控制和。基於模糊規則的控制方法。模糊邏輯智能控制模糊邏輯控制實質上是利用計算機模擬人的模糊邏輯思維功能實現的一種數字反饋控制。人的思維具有模糊邏輯的特點，因此用計算機模擬人的模糊思維，即模糊概念、模糊判斷和模糊推理，就是模糊控制的思維科學基礎，再和反饋控制理論相結合就可以實現模糊控制。?傳統的PID控制系統設計中需要給出被控對象的精確模型。模型的不精確性及不確定性都會影響PID控制性能。相反，模糊控制不需要知道被控對象的精確模型，它是基於控制系統輸入/輸出數據因果關係的模糊推理控制。?模糊控制不是基於被控對象精確模型的控制方式，因此具有較強的魯棒性，其穩態精度可以通過引進智能積分等方法達到所要求的精度。此外，還可以將模糊邏輯推理和PID控制相結合，對PID控制參數進行自適應調整，實現無靜態跟蹤伺服控制。神經網路智能控制人工神經網路是利用計算機模擬人類大腦神經系統的聯接機制而設計的一種信息處理的網路結構，一般簡稱神經網路（NN）。神經網路中最基本單元是神經細胞，簡稱神經元。它是一種多輸入單輸出的信息處理單元，包括輸入處理、活化處理和輸出處理三個部分。從控制的觀點，神經元模型由加權加法器、單輸入單輸出線性動態系統和靜態非線性函數所組成。它們模擬神經細胞綜合處理信息的突變性和飽和性的非線性特徵。?神經網路是由大量神經元構成網路，能夠根據某種學習規則，通過調整神經元之間的聯接強度（權重）來不斷改進網路的逼近性能，即神經網路具有非常強的非線性映射能力。正因為如此，神經網路在智能控制、模式識別、故障診斷、系統辯識等領域獲得了廣泛應用。?除了上述的專家系統、模糊伺服控制、神經網路伺服控制策略外，還有遺傳演演算法等控制。永磁無刷電動機系統發展現狀1）設計手段不斷完善隨著計算機技術的發展以及電磁場數值計算、優化設計和模擬技術的不斷完善，形成了以電磁場數值計算、等效磁路解析求解、場路結合求解等一整套分析研究方法和計算機輔助分析的設計軟體。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各種類型的電機設計軟體，以方便快捷地完成從電機的電磁設計計算、損耗計算、優化設計、雜訊抑制、特性分析等。針對無刷電機特點，提供多種轉子類型、多種繞組型式及主電路的連接方式，以便組合。2006年三季度，加拿大以電磁計算分析著名的Infolytica公司，推出了專門針對永磁無刷電機的Motorsolve設計軟體。這些軟體除了對電機進行電磁設計，還可對電機在槽形、繞組、材料等設計變數改變情況下多方案比較分析、電磁場精確計算和電機多目標優化設計，並包括控制電路、控制演演算法在內的整個設計流程，既可以提供任意時刻電機內電磁場分佈數據，又能對電機工作時所關心的各類運行曲線，如轉矩、轉速、電流、功率、效率等提供結果，同時還能提供齒槽轉矩、轉矩脈動、轉速波動等詳細指標參數，並可完成電機的各類正常工況和故障工況的模擬實驗，包括起動、堵轉、突加突減負載、突然短路等等。2）分數槽技術應用日益增多？分數槽繞組技術在永磁無刷電動機中的應用已逐漸增多。如在電動自行車電機中採用三相、40極、36槽；Collmorgen公司Goldline系列交流伺服電機採用4極、18槽，6極、24槽等；松下伺服電機採用6極、9槽，8極、12槽等每極每相槽數q=1/2的分數槽繞組結構。對於多極的無刷電動機採用分數槽繞組，可以較少的定子槽數達到多槽能達到的效果。採用分數槽繞組有以下優點：a)電機電樞槽數大為減少，有利於槽利用率的提高；b)較少數目的元件數，可簡化嵌線工藝和接線，有助於降低成本；c)有可能得到線圈節距y=1的設計（集中繞組），便於採用自動繞線機繞制，提高工效；同時各個線圈端部沒有重疊，不必設相間絕緣；?d)線圈周長和繞組端部縮短，電動機繞組電阻減小，銅損隨之也減低，提高了電動機的性能。採用分數槽繞組的磁動勢諧波遠大於整數槽繞組，如圖10所示。3）無槽、無鐵心結構電機無鐵心無刷電動機的出現是採用新材料、新工藝的結果。電樞採用耐熱性能優越的材料製成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩定運行；由於電樞無鐵心，電感小，完全消除了鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，消除了由齒槽效應帶來的轉矩波動，具有優異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉速範圍廣；電機的電樞中無齒槽且採用全塑封結構，負載動行時，雜訊及振動都很低。無鐵心無刷電機可採用軸向磁場結構和徑向磁場結構。軸向磁場結構的電機電樞繞組徑向按一定規律分佈，在專用模具中固化成形，電樞兩側均為盤狀轉子體，轉子磁體為軸向磁化，兩側轉子可同時布置永磁體磁極及轉子軛，成雙勵磁轉子結構，也可一側布置永磁體磁極而另一側布置轉子磁軛，成單勵磁轉子結構。徑向磁場結構電機的電樞繞組軸向按一定規律分佈成筒狀，其電樞內、外圓處均為筒狀轉子體，轉子磁極為徑向磁化，內、外圓可同時布置永磁體磁極及轉子軛，成雙勵磁轉子結構，也可在其中一個圓周上布置永磁體磁極，而另一圓周上只布置轉子磁軛，成單勵磁轉子結構。徑向磁場結構和軸向磁場結構均可根據要求製造成內轉子和外轉子結構。圖11為徑向磁場結構的無鐵心無刷電動機典型結構。典型盤式無刷電動機定子、轉子均為圓盤形，採用軸向氣隙磁場，可做成有鐵心和無鐵心兩種結構，定子繞組呈徑向分佈。無槽結構無刷電動機消除了齒槽效應，具有轉矩波動小、運行平穩、雜訊低、電樞電感小、定位干擾力矩小等一系列優點，成為很有發展前景的無刷電動機。小直徑的電動機，無槽結構能獲得比有槽結構更大的轉矩指標；在特殊條件下，例如要求電動機的轉矩和功率相對不大，對電動機的體積限制不嚴，而對電動機的控制要求很高的情況下，採取無槽結構會獲得好的效果。?國內無槽無刷電動機已有系列產品，功率範圍至30 kW，最高轉速可達20 000 r/min。4）工藝不斷革新在電機製造方面，通過對傳統工藝的不斷革新，出現了分割型定子鐵心結構和連續繞線工藝方法。採用多極集中繞組，減少繞組端部長度，以適應生產自動化，使產品向低成本、低價格方向發展。同時出現了適應不同性能參數永磁材料的瓦型、環型表面粘接結構和各種不同設計嵌入式磁體結構等新的轉子磁路結構。?對於節距y=1分數槽設計，用專用繞線機直接繞制定子線圈，對於外轉子結構的電機比較方便，但對於內轉子結構的電機，特別是定子內徑小的小功率電機，就要困難得多了。為此，分割型定子鐵心結構的構思提出來了。圖12所示為一種新型定子鐵心結構，把定子鐵心每齒分割開來，可以在鐵心展開的狀態下繞制線圈，以便隨時調整線圈，實現規則繞制。繞圈繞制完成後，再把全部磁極對接成圓，形成一個完整的定子。這時，電樞槽的利用率可達85%以上。