一、无刷直流电机与永磁同步电机的异同

以电流驱动方式不同将永磁无刷直流电机分为两大类:方波驱动电机和正弦波驱电机。前者称为无刷直流电动机(BLDC),后者曾有人称为无刷交流电动机(BLAC),现在常称为永磁同步电机(PMSM)

1、结构组成上基本相同,但结构的具体细节不同

相同:
(1)转子由永磁体组成基本结构,定子安装了多相交流绕组;
(2)都是由永久磁铁转子与定子的交流绕组相互作用产生电机的转矩;
(3)在绕组中的驱动电流必须与转子位置反馈同步。
不同:
(1)永磁同步电机要求有一个正弦的反电动势波形,故转子设计成可获得正弦的气隙磁通密度分布波形
(2)无刷直流电机要求梯形波反电动势,所以转子通常按等气隙磁通密度进行设计。
(3)因为反电动势的不同,各自所需要的驱动电流也不相同。永磁同步电机采用FOC控制,产生可以等效为正弦波的电流波形,进而产生正弦波磁场。无刷直流电机多采用三相六状态两两导通的控制方式,产生梯形波电流。

2、性能比较

(1)功率密度:无刷直流电机输出电磁功率=1.15*永磁同步电机输出电磁功率(考虑铁耗无刷直流电机更大,故通常小于1.15)
(2)转矩转动惯量比:重量相同,额定转速相同时,无刷直流电机>永磁同步电机;
(3)运行速度:永磁同步电机可进行弱磁控制,故范围更广
(4)传感器:主要在转子位置传感器,在速度伺服系统(要求不高)中无刷直流电机只需要低分辨率传感器,只有用到位置伺服系统时需要高精度传感器。而永磁同步电机需要实时获得转子位置,因此其传感器精度更高,一般在10bit以上。
(5)转矩脉动(缺点):无刷直流电机>永磁同步电机,因为其气隙磁场为方波,在换向时因为定子绕组具有电感,不能获得理想的梯形波电流,因此无刷直流电机的转矩脉动大很多。

二、永磁同步电机

凸极式永磁同步电机因为形成交(q)直(d)轴电感所经过的磁路不同(决定磁阻不同),导致dq轴的电感大小不同。 电感与绕组的匝数平方成正比,与磁阻成反比。气隙越大磁阻越大,一般同步电机大于异步电机。

  • 注:永磁铁内部的磁导率与空气大小相似,可将永磁铁等效为空心绕组。因此面装式PMSM的气隙均匀,磁阻均匀,dq轴电感相等。

  • 磁通、磁路;磁动势F、磁场强度H、磁导率μ、磁阻Rm、磁通密度B、磁通量、磁路长度L。

凸极式(内置式)永磁同步电机因为直轴磁阻大于交轴磁阻,因此直轴电感小于交轴电感。
隐极式(表贴式)永磁同步电机因为气隙分布均匀,因此交直轴磁阻相等,故直轴电感等于交轴电感。

三、开关磁阻电机

开关磁阻电机的铁芯是由硅钢片叠加而成,定转子都为凸极式。
定子凸极均匀分布在360°圆周上,每个凸极上都装有一个集中绕组,与相隔180°的凸极串联起来组成一相。转子为硅钢片叠加而成,没有绕组。若定子的凸极数为N,则定子相数一般为m=N/2 ,少数情况为m=N/4,通常为偶数。常用6/4型或8/6型,前者定子为三相,后者定子为四相。
由于定转子的磁极数不相同,因此转子的某一相与定子某一相对齐时,必然有对不齐的相,因此通过控制定子绕组的通电,使转子受到一个单方向的电磁转矩,使转子连续旋转。

由定子绕组的自感产生的电磁转矩只与自感对转角导数的正负相关(也就是与绕组的通电顺序相关,与电流方向无关),而与通入电流的方向无关,因此定子电流可以是单项脉冲。为得到恒定的正向磁阻转矩,定子应当装设三相或多相绕组,使整个360°内被不同相的电感上升区所覆盖,且当转子转到对齐位置时,保证定子电流从前一相即刻转换到后一项。

  • 互感、绕组电流与电磁转矩详见《电机学》——开关磁阻电机。

优缺点

优点:
1、结构简单、制造方便、效率较高、价格较低
2、损耗主要产生在定子边,所以冷却问题比较简单
3、转子上没有绕组,可以做成高速电机,但是调速范围较窄
缺点:
1、转矩有一定脉动
2、噪声相对较大

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