1．磁路结构
无刷直流永磁电动机在磁路结构上的****特点是采用永磁体做转子，而定子结构基本上与交流电动机相似。小功率无刷直流永磁电动机的转子结构形式主要有圆柱式、星环氧玻璃布带绑扎，以便起到保护永磁体和增加转子机械强度的作用。
2．等效磁路图上述四种结构形式的磁路，均由永磁体、软铁和气隙组成。假定通过气隙进入齿部的磁通不在电枢齿内分流，面全部经过轭部闭合，那么电动机空载时的等效磁路图如
图1．60中，Aw′m为虚设的永磁体内磁势，当永磁体在回复直线上工作时，它的数值由回复直线的延长线与横坐标轴的交点来决定；Am为永磁体的内磁导，当磁路的磁状态处在回复直线上时，它可以被看作为常量，其值为
ur为永磁体的相对导磁率，也就是回复系数，常用永磁体材料的回复系数列于表1．18；
Sm为产生每极磁通的与磁力线相垂直的永磁体的计算中性截面积(c²)；
Lm为永磁体沿磁力线方向的一对磁极的计算长度(cm)。
电动机加负载以后，电枢磁场就要对转子磁场起反作用，这种反作用被称为电枢反应。电枢反应磁势的直轴分量Awad，对转子永磁体来说，有时起增磁作用，有时起去磁作用，它的大小和方向随着转子位置的变化而变化；电枢反应磁势的交轴分量Awad将使电动机的气隙磁场发生畸变，磁力线扭曲。圆柱式结构电动机加负载后的气隙磁场分布情况如图l 61(a)所示。图1．6l(b)为电动机加负载时沿直轴方向的等效磁路图，图中Awad为电枢反应磁势的直轴分量，θm是电动机负载时永磁体中性截面上发出的磁通，φδ和φσ。分别为电动机负载时的气隙磁通和漏磁通。
星形式转子永磁体结构和表面贴装式转子永磁体结构的电动机在加负载后，其电枢反应对转子永磁体和气隙磁场的作用与圆柱式转子永磁体结构的电动机相同。对于拼块式转子永磁体结构的电动机来讲，电动机加负载后，其电枢反应磁势的直轴分量Awad也将对转子永磁体产生时面增磁和时而去磁的作用；但由于其转子上具有软铁制成的磁极体，能给电枢反应的交轴分量Awad提供一条不经过永磁体的保护通路，致使气隙磁场不会产生****性的畸变。
3．永磁体的****工作点
首先让我们分析如图1．62所示的磁路，它由长度为Lm、截面积为Sm的永磁体，长度为Lδ、截面积为Sδ的气隙，以及软铁部分所组成。假设软铁的导磁率为无穷大，则有
忽略磁路的漏磁，根据磁通连续性原则，有
由公式(1 65)乘以公式(1．66)，得到
式中，Hδ为气隙中的磁场强度；Bδ为气隙中的磁感应强度；Hm为永磁体中的磁场强度；Bm为永磁体中的磁感应强度；Vδ为气隙的体积；Vm为永磁体的体积。
公式(1．68)还可以写成
公式(1．70)表明，为了在一定气隙内产生一定的磁通，HmBm愈大，所需要的永磁体的体积Vm就愈小。
现在，我们进一步讨论如何获得****的乘积(BH)max。位于第二象限内的磁滞回线部分，被称为去磁曲线，如图1 63所示，它描绘了永磁体最终表现出来的宏观特性。在通常情况下，含有永磁体的磁路是在去磁曲线上工作的。在图1．63中左边画出了一条典型的去磁曲线B(H)；右边是乘积(BH)与B的关系曲线，即以成绩（BH）为横坐标，B为纵坐标。图中直线OK代表了气隙的大小，它与去磁曲线姜交点D成为该磁路的永磁体的工作点而EF代表了乘积DE×DG。在去磁曲线上，不同的工作点就有不同的（BH）值，对应于****值（BH）max的工作点， 被称为永磁体的****工作点
有时，乘积（BH）max被认为是永磁体所能提供的****能量。而实际上，单位体积的永磁体向外部空间提供的****能量，即比磁能为
在磁路系统设计时，应该调整磁路系统的尺寸，使永磁体尽可能地工作在****工作点上。
在某些含有永磁体的磁路中，气隙是可变的，如图1．64(a)所示，它由永磁体、磁轭、衔铁、不变的漏磁气隙和可变的工作气隙所组成。开始时，衔铁被移至足够远的地方，永磁体的工作点由它的原始漏磁导决定，如图1 64(b)中的A点。此时，永磁体所发出的磁通全部是漏磁通，图1．64(b)中的线段Ac就代表了永磁体中的漏磁通密度；线段Oc，即HO是永磁体中的磁场强度。
当衔铁向含有永磁体的磁路移近时，永磁体所发出的总磁通在漏磁通气隙和工作气隙之间按照它们磁导的大小成比例地分配。随着衔铁的渐渐移近，工作气隙不断减小，水磁体的工作就沿着回复直线AD上升，总磁通也相应地逐渐增加。当工作点移到Q点时，其有用磁通密度从零上升到QF值，漏磁通密度则从Ac下降到FG。此时，有用的比磁能和漏磁比磁能分别是面积QJKF和FK0G的一半，永磁体向外界提供的总比磁能是面积QJOG的一半。
当衔铁向含有永磁体的磁路移近时，永磁体所发出的总磁通在漏磁通气隙和工作气隙之间按照它们磁导的大小成比例地分配。随着衔铁的渐渐移近，工作气隙不断减小，水磁体的工作就沿着回复直线AD上升，总磁通也相应地逐渐增加。当工作点移到Q点时，其有用磁通密度从零上升到QF值，漏磁通密度则从Ac下降到FG。此时，有用的比磁能和漏磁比磁能分别是面积QJKF和FK0G的一半，永磁体向外界提供的总比磁能是面积QJOG的一半。
当永磁体在回复条件下工作时，对应有用磁通的能量被称为有用的回复能量。对于给定的回复直线，当AQ=QD，即Q点把回复直线AD二等分时，代表有用回复能量的比磁能的QF×OG乘积为****。在永磁体回复系数已知的情况下，就可以计算出由去磁曲线上任意一点发出的回复直线所具有的****有用回复能量。显然，在去磁曲线上，总存在着一个特殊的点A，从该点发出的回复直线具有比任何其他回复直线大的有用回复能量。这个具有****有用回复能量的回复直线的起始点，在去磁曲线上位于某一个稍低于具有****磁能积(BH)max的点上。
在磁路系统设计时，应该调整磁路系统的尺寸，即改变点A和点Q的位置，使永磁体尽可能在****有用回复能量的条件下工作。如果对于给定的永磁体材料，在整个去磁曲线B(H)上，所有回复直线具有同样的斜率，我们就可画出具有****有用回复能量的等强线，见图1．64(b)。以此，可以检查永磁体是否工作在****工作点上。
水磁电动机中，水磁体在气隙内建立的磁场，向气隙提供一定的能量；而具有一定磁阻的外磁路，对永磁体起着一种去磁作用。在磁路不饱和的情况下，通常可以用一条直线来描述外磁路的特性，如图1. 65中的直线oP，它与横坐标轴之间的夹角a仅取决于气隙和外磁路系统的尺寸。我们把直线0P称为空载工作线。电动机加负载后，由于 存在着电枢反应直辅去磁磁势，空载工作线就会向左移动。图1．65中直线QH就是电动机在额定负载条件下运行时的工作线，称之为负载工作线。空载工作线0P和负载工作线QH分别与回复直线Bm=g(Hm)相交于P点和H点，我们称P点为永磁体的空载工作点，H点为永磁体的负载工作点。
一般来讲，永磁电动机中的永磁体是在同复条件下工作的。因此，我们必须调整磁路系统和电路系统的参数，使得永磁体向工作气隙提供的有用回复能量****，从而保证在同样输出功率的条件下，电动机具有最小的体积和重量，实现永磁体的****利用。
****工作点对于永磁电机而言，是客观存在的，但由于稳磁方式的不同，外磁路饱和程度的变化，以及电机负载后电枢反应的影响等种种原因，在实际设计工作中，要获得****工作点并不是轻而易举的事情。有时，为了满足某种特殊的技术指标，往往只好牺牲****工作点。总之，实际上总是只能采用折中的办法来设计。在某些有特殊要求的情况下，设计时亦可以不考虑****工作点的问题。
4永磁体的稳定方法
由永磁体本身的特性可知，永磁体的去磁曲线仅表明当外部的去磁磁场强度单方向从零变化到一Hc值时，永磁体内部磁场强度Hm和磁通密度Bm之间的关系。一旦在去磁曲线上某一点去掉外部的强迫去磁磁场强度后，永磁体内部的磁状态就不会沿着去磁曲线向上移动，面只能沿回复直线向上移动。
一台新装配好的永磁电动机，充磁以后的原始磁状态处在图1 66中的A点上。在电动机运行时，转子永磁体将会受到电枢反应磁场的去磁作用，使电动机的磁状态发生变化，永磁体的工作点将随着电枢反应的增磁或去磁作用在某一回复直线K1A1上移动。如果电动机在另一次运行时，经受了比上次更大的去磁作用，这时永磁体的工作
点将在另一条回复直线k2A2上移动。由此可见，电动机的运行特性将会随着负载的变化而变化，表现为性能不稳定，这是我们所不希望的。为此，在电动机正式投入运行以前，我们必须采取适当的措施，让电动机经受它在按照技术条件运行的整个过程中，可能遇到的****去磁作用，从而保证在使用过程中它的运行性能不会再随着负载的变化而变化。我们把所采取的这种措施称为“稳定”，通常采用的“稳定”方法有下面几种：
(1)空气稳定
永磁体转子在装入定子以前，预先给以充磁，并使永磁体达到饱和状态。然后，不要给充好磁的转子永磁体加保护性的磁短路环，而让其自由地处于空气中。这时，永磁体本身的磁状态(φ0，Awo)由直线0c与去磁曲线的交点c来决定，如图1．67所示。
直线Oc是永磁体转子自由地处于空气中时，其永磁体的外磁路的等效磁导线。有时亦称它为自由状态时的漏磁导线。c点是回复直线的起始点。我们把这种稳磁方法叫做“空气稳定”，或者称之为“自由状态的稳定”。
在设计采用“空气稳定”的电动机时，当磁路系统的尺寸决定之后，必须求出转子永磁体在空气中的等效磁导△=tana，从而决定回复直线的起始点c。
采用“空气稳定”的电动机，制造和维修方便，但永磁体利用差，电动机的质量较重和体积较大。
(2)起动稳定
永磁体转子在装入定子以后得进行充磁，并使永磁体达到饱和状态，此时永磁体的磁状态由图1．68中的A点来确定。然后，电动机在额定工作电压和额定负载条件下起
动，永磁体的工作点将沿去磁曲线下降到k点。随着起动过程的结束，电动机将在额定状态下运行，永磁体的工作点移到负载工作点H，其磁状态由日点确定。
在设计采用“起动稳定”的永磁电动机时，当主要尺寸确定之后，必须选定磁路系统和电路系统，对应某一电枢绕组和电子换向线路，就可以计算出起动电流IST起动时电枢反应的直轴去磁磁势AWadk的数值，从而决定回复直线起始点K的位置，以及负载工作点H和空载工作点P的位置。据此可以校验所选磁路系统和电路系统是否合适，并在此基础上进行适当调整，以便尽量使永磁体能工作在****工作点上。
(3)突然反转稳定
当技术指标中对电动机有正反转要求时，永磁体的稳定要采用“突然反转”的方法。
对于无刷直流永磁电动机，由于电路系统中电子换向线路导通顺序的不同，它在“突然反转”时情况较为复杂。现在以星形三相电枢绕组与非桥式电子换向线路的组合为例进行分析。
电动机正向旋转时(顺时针方向)，定子绕组导通顺序为u—V—w；反向旋转时(逆时针方向)，定子绕组导通顺序为u—w—v。假定正向旋转的电动机在u相绕组通电时突然反转，图1．69中Awadd为此时u相绕组的电枢磁势，而转子磁场φm有可能处在状态角az范围之内(即图中位置I和位置Ⅱ之间)的任意位置上。现在就两种情况，分别研究电动机突然反转时，其电枢磁场对转子磁场的影响。
1)转子磁场处在[I，O]区间内。此时，反转的指令信号将使电子开关切断u相绕组，同时接通y相绕组，转子受到反方向转矩而反转。这时的电枢磁势如图中Awav所示，其轴分量Awadf对转子磁场起去磁作用。
当转子处在边界位置I时，电枢磁场与转子磁场正交，纯粹表示为交轴电枢反应。
当转子处在中间位置O时，电枢反应的直轴去磁分量转达到****值，其数值为
2)转子磁场处在[O，II]区间内。此时，反转指令信号将使电子开关切断u相绕组，而接通w相绕组，转子受到反向转矩而反转。这时电枢磁势如图中Awaw所示，其直轴分量对转子磁场起增磁作用。
当转子处在边界位置II时，电枢磁场与转子磁场正交，纯粹表现为交轴电枢反应。
当转子处在中间位置0时，电枢反应的直轴增磁分量达到****值，其数值上和上述直轴去磁分量大值相等，在采用“突然翻转稳定”时，对于已去定的磁路系统和电路系统，可以计算出突然反转时电枢反应的直轴去磁分量的****值 AWadf，从而决定回复直线的起始点。
综上所述，采用不同的稳定方法，永磁体的工作点就不同， 其利用程度也就不同 ，其利用程度也就不同，在电动机设计时，采用的计算方法也不同 ，在无刷直流永磁电动机中，为了充分利用永磁体， 通常是装配后充磁，采用启动稳定或突然反转稳定的文辞方法，但是采用这类方法后， 电动机装拆和维修不太方便。
对于采用稀土永磁体的电动机而言，由于稀土永磁材料的相对导磁率 u≈1， 回复直线与常规去磁曲线基本上相重合， 因此 ，不管采用哪一种 “稳定”方法，只要把稀土永磁体充到饱和 电动机就能获得基本上一致的和稳定的运行性能， 设计者和制造商要考虑的问题 应该是 ： 采用哪一种充磁/稳磁方法便于制造， 可以降低生产成本，和进一步提高产品的性能等。
|
