1.4 永磁同步电动机与无刷直流电动机

1.4.1 永磁同步电动机

永磁电动机是用铝镍钴、铁氧体、钕铁硼等高磁性材料制作的永磁体来励磁的一类电动机。与电励磁电动机相比，永磁电动机具有以下优点：

1）取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠。

2）消除了励磁系统损耗，使电动机效率提高。

3）永磁电动机结构紧凑，与同容量电励磁电动机相比，体积小、重量轻。

4）永磁电动机的尺寸和形状灵活多样。

由于具有上述优点，因而永磁电动机在航空、航天、国防、机器人、电动汽车和家用电器等各个领域得到广泛应用。近年来，随着高磁性材料和电力电子技术的发展，永磁电动机的品种和应用领域不断扩大。

永磁同步电动机与异步感应电动机相比，不需要转子无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少了定子电流和定子铜损耗，而且在稳定运行时没有转子铜损耗，从而使其效率较同规格异步感应电动机提高2%～8%。

永磁同步电动机又分为多种类型，其中一种具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也是正弦波的，称为正弦波永磁同步电动机，简称永磁同步电动机（Perma-nent Magnet Synchronous Motor，PMSM）。

PMSM是由绕线转子同步电动机发展而来的，由于永磁同步电动机起动能力较差（起动转矩不稳定），所以一般永磁同步电动机常采用速度闭环控制系统，需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制等先进控制策略。也可以在转子上装设起动笼型绕组，使其具备在一定频率和电压下直接起动的能力，这类电动机又称为异步起动永磁同步电动机，其结构如图1-40所示。异步起动永磁同步电动机的优点在于可以直接采用通用变频器实现开环转速控制。

图1-40 异步起动永磁同步电动机的结构

1—转轴 2—轴承 3—端盖 4—定子绕组 5—机座 6—定子铁心 7—转子铁心 8—永磁体 9—起动笼 10—风扇 11—风罩

1.4.2 无刷直流电动机

转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应电动势是梯形波，称为无刷直流电动机（BrushlessDCMotor，BD- CM）。

BDCM是由直流电动机演化而来的。本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机。就运行原理而言，BDCM与PMSM一样，都是在定子的三相对称绕组中通入对称的交流电流，两者的区别可以认为是方波或正弦波控制导致的设计理念不同。要求PMSM的永磁励磁磁场尽量为正弦分布，以保证能够产生正弦波的感应电动势；而要求BDCM的永磁励磁磁场尽量为矩形波分布，使之能够产生梯形波的感应电动势。两者目的都是为了产生恒定的电磁转矩。

此外，BDCM与PMSM的供电控制电路原理也是基本相同的，但是由于两者要求的定子电流波形不同，所以对定子电流的调控方式，以及由此决定的对转子的位置检测方式有所差异。无刷直流电动机的控制也需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电动机PWM的方法进行控制即可。本质上讲，BDCM就是用电子换向装置代替电励磁直流电动机的换向器的直流电动机，它是典型的机电一体化产物，BDCM的结构由永磁电动机、控制与驱动电路和位置传感器三部分组成，如图1-41所示。它的优点在于取消了电刷、换向器，可靠性高；保留了直流电动机的优良特性。

图1-41 BDCM的结构