永磁无刷直流电机(PMBLDC)和永磁无刷交流电机(PMBLAC)性能分析比较

1. 永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机异同点

   永磁无刷交流电机(PMBLAC)的驱动为正弦波驱动，又名为永磁同步电机(PMSM)，永磁无刷直流电机(PMBLDC)的驱动为方波控制。PMSM和PMBLDC是同一个电机，只不过改动了控制方式，PMSM的电流和损耗会更小，效率也会提高，效率平台会变的很宽，当两者都在额定工作点工作时，两者的性能相差不大，故PMSM可以看作一个PMBLDC。

   相同结构的PMSM和PMBLDC的静磁场时磁场分布完全一致，电机齿部磁密、气隙磁密也完全相同，两者在运行过程中，PMBLDC通常采用120°导通方式，电机供电电压时直流方波，星型接法的绕组通电方式是“两相导通三相六状态”，三相绕组电流为接近方波的断续电流，而PMSM通常采用180°导通方式，电机的供电方式为三相正弦脉宽调制波，三相绕组同时导通并流过三相对称的连续电流。PMSM和PMBLDC的供电状态和运行状态并不相同，但分析两种电机的某个瞬态点没有实质意义，PMSM的一个360°运行状态也可以像PMBLDC分成6个状态，即六状态运行，每个状态下，绕组电流都是一进两出，某一相电流均是其他两相电流之和，这相当于PMBLDC在一个状态工作时，有一相绕组只有一根导体工作，而另外一相绕组有两根导体并联工作，因为时脉宽调制波形，电机相绕组电压幅值是相等的，因此PMSM和PMBLDC的通电运行方式相当。

  相同结构的PMSM和PMBLDC的工作磁通和绕组有效导体数相同，因此两者的转矩常数K_T和反电势常数K_E相同，两者对于转矩常数KT和反电势常数KE的计算规律也相同。

   综上所述，方波永磁无刷直流电机和正弦波永磁无刷交流电机其电机结构和工作原理极为相似，绕组都安放在定子侧，转子侧都由磁钢和转子铁芯组成，绕组电流和转子磁钢相互交链而产生电磁转矩，在实际使用过程中对两种电机不做过多区分，因此PMSM的实用设计大致可以采用PMBLDC的设计方法，这样就大大简化了PMSM的设计计算

2. 方波驱动和正弦波驱动的电磁转矩产生原理

       PMBLDC和PMSM的绕组都可以使用星型连接和三角形两种连接方式，无论是哪种连接方式都会形成一个闭合回路，但是三角形连接在电机工作时会产生高次谐波环流，增加电机损耗，使得电机温升增加，因此绕组大多采用星型连接。

   如图1为方波驱动的三相桥式电路，每个桥臂都可以单独控制绕组的导通，电机运行过程中，转子位置传感器会向控制电路反馈转子位置信号，控制电路对其进行一定的逻辑运算后对开关管发出通断信号，进而控制电机各相绕组的导通。

   对于PMBLDC电机采用的是两相导通三相六状态，即把绕组按照AB、CB、CA、BA、BC、AC的顺序依次导通，每个状态有且仅有两相绕组串联导电，随着转子转动到新位置，驱动器会重新控制三相桥式电路各开关管的通断，使绕组进入下一个状态，随着绕组状态的不断更新，定子磁场不断旋转变化，与转子磁钢交链后产生电磁转矩拖动转子进行连续旋转。而对于PMBLAC电机采用电压或电流正弦波控制，使用一个正弦函数就可以实现其矢量控制。

图1 方波控制电路

  方波和正弦波控制的PMBLDC和PMSM电机磁通密度、反电势、相电流和电磁转矩如图2所示。

图2 方波和正弦波控制的磁通磁密、反电动势、相电流和电磁转矩波形示意

3. 永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机的性能比较

        PMBLDC在理想情况下，反电势波形为平顶波且平顶宽度为120°，电机在稳定运行时，转子转速和相电流恒定且和反电势平顶波在相位上重合，所以在120°电角度内，电磁功率和电磁转矩也为恒定值，假如转子转速为n，则单相绕组产生的电磁转矩T_ep和电磁功率P_em的关系为：

                                                  （1）

        PMBLDC的转矩是两相绕组同时通电的叠加，在一个状态下，单相绕组的通电时间为120°电角度，那么两相绕组同时通电则为两个状态，即通电时间为240°电角度，则电机输出的总电磁转矩T为：

                                                                                                                   （2）

   由式(2)可知，PMBLDC拥有比较好的转矩电流线性度。

        PMSMS的控制器根据转子位置产生的正弦波相电流与该相的反电势同相，假设E和I为单相反电势和相相电流的幅值，θ为转子转过的角度，将A相绕组的反电势和相电流相位确定为初始位置的话，则ABC三相的反电势e和相电流i可表示为：

                                               （3）

   当转子角速度为ω时，电磁功率P和电磁转矩T的关系为：

                                      （4）

   由式(4)中可以看出，PMSM也具有线性的转矩电流特性。

         PMBLDC是方波控制，任何一个时间点总是有两相绕组通电，假设单相绕组的峰值电流为I_p，相电阻为R_a，则一相绕组铜损耗为2I_p²R_a，而PMSM是正弦波控制，绕组铜耗由基波电流产生，单相绕组的峰值电流为I_p2，电流有效值为I_p2/sqrt(2)，相电阻为R_a，则一相绕组铜损耗为3(I_p2/sqrt(2))²R_a。

_{4. 举例对PMSM和PMBLDC性能进行比较}

4.1 电机案例技术指标

       本文以某型号永磁电机为例，既可以用方波驱动也可以用正弦波驱动，具体电机指标参数如表1所示。

表1 电机指标参数

4.2 电机静磁场磁密分布

       当永磁电机不工作时，电机内部的磁场只有转子磁钢激发的主磁场，主磁通路径为由转子磁钢N极出发，第一次经过气隙到达定子齿部，经过定子轭，又经过另一部分定子齿，再一次经过气隙达到转子S极，形成闭合磁回路，如图3所示。

图3 主磁通闭合磁路

         检测定子一对磁极下的气隙磁密、定子齿部磁密、定子轭长磁密和转子轭长磁密大小，轭长为定子轭部或者转子轭部沿着磁路方向一对磁极的平均长度，如图4所示。

图4 定子和转子轭长

   分别在气隙处、定子齿部，定子轭部和转子轭部画一条细线，磁密曲线和磁密云图分布如图5和图6所示。

（a）气隙磁密（b）定子齿磁密

(c)定子轭磁密         (d)转子轭磁密

图5 电机内部磁密分布

图6 磁密云图

4.3 电机额定工况

            该永磁电机无论是方波驱动还是正弦波驱动，保证其额定工况下的输出转矩和输出转速相同，即输出转速为900rpm，输出转矩为0.64Nm，比较同一种电机不同驱动方式下电机的电磁性能。

    额定状态下的输出力矩为0.64Nm，如图7所示。

图7 额定输出转矩

   由图7可知，无论是方波驱动还是正弦波驱动，在输出转速均为900rpm下时，额定输出转矩仿真值均为0.64Nm，显而易见，正弦波驱动下的输出转矩比方波驱动下的转矩脉动小很多，经过计算，方波驱动下的转矩脉动为14.5%，正弦波驱动下的转矩脉动为6.1%，正弦波驱动下的转矩脉动优与方波。

   额定状态下的电流如图8所示。

图8 额定电流

   由图8可知，方波驱动下的电流有效值为3.1A，正弦波驱动下的电流有效值为2.7A。

       两种驱动方式下的自感和互感，如图9所示。

(a)方波驱动     (b)正弦波驱动

图9 自感和互感

   由图9可知，两种驱动方式下的自感和互感无任何差异。

   两种驱动方式下的感应电压，如图10所示。

(a)方波驱动      (b)正弦波驱动

图10 感应电压

    由图10可知，方波驱动下的反电势不是标准的方波，而正弦波驱动下的反电势是标准的正弦波。

    两种驱动方式下的三相磁链，如图11所示。

(a)方波驱动      (b)正弦波驱动

图11 三相磁链

4.4 损耗和效率

       两种驱动方式下的铜耗、铁耗和涡流损耗如图12所示。

(a)铜耗                            (b)铁耗

(c)涡流损耗

图12 损耗

图13 效率

       如图12和图13所示，正弦波驱动下的电机效率为83.6%，方波驱动下的电机效率为75.5%

5. 总结

   通过以上比较分析，正弦波驱动下的永磁电机转矩脉动和效率都优于方波去驱动。