永磁直流电动机原理及作用

　　基本原理
　　永磁无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
　　1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速;提供保护和显示等等
　　主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。
　　永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，永磁直流电机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为永磁直流电机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。
　　2. 永磁无刷直流电机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。
　　由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，与他励直流电动机的电流-转矩特性一样。
　　电动机的转矩正比于绕组平均电流：
　　Tm=KtIav (N·m)
　　电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：
　　ELL=Keω (V)
　　所以电动机绕组中的平均电流为：
　　Iav=(Vm-ELL)/2Ra (A)
　　其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：
　　Tm=δ·(VDC·Kt/2Ra)-Kt·(Keω/2Ra)
　　Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度(rad/s)，所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
　　永磁无刷直流电机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速：Vc(max)ón max，那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。
　　当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比δ就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止;反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，δ减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，永磁直流电机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。
　　由于永磁无刷直流电机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流;由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，永磁直流电机的力能指针(ηcosθ)比同容量三相异步电动机高12%-20%。
　　3. 由于永磁无刷直流电机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。
　　中小容量的永磁无刷直流电机的永磁体，多采用高磁能积的稀土钕铁硼(Nd-Fe-B)材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。
　　近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，而永磁直流电机的电流或电枢的端电压，就是直接控制电动机转矩的物理量。过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限制了稀土永磁永磁直流电机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列永磁直流电机的售价已与异步电动机和普通变频器售价之和相差无几。稀土永磁永磁直流电机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。
　　根据所用的永磁材料不同，永磁无刷直流电动机分为铝镍钴永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和稀土永磁直流电动机。铝镍钴永磁无刷直流电动机需要消耗大量的贵重金属、价格较高，但对高温的适应性好，用于环境温度较高或对电动机的温度稳定性要求较高的场合。铁氧体永磁无刷直流电动机以廉价见长，且性能良好，广泛用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域。用稀土永磁材料作磁极制的稀土永磁无刷直流电动机，体积小且性能更好，但价格昂贵，主要用于航天、计算机、井下仪器等。但近些年出现了新一代稀土永磁直流电动机—钕铁硼永磁无刷直流电动机，由于我国拥有世界80%以上蕴藏量的钕矿资源，因此在价格上具有得天独厚的优势，高性能钕铁硼永磁材料性价比大幅提升，使质优、价廉的钕铁硼永磁直流电动机在产业化生产中得到了广泛的应用，同时也促进永磁无刷直流电动机的性能与结构迅速发展。

永磁直流电机，是用永磁体建立磁场的一种直流电机。永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中，如汽车、摩托车、电动自行车、航空、机械等行业，在一些高精尖产品中也有广泛应用。
永磁直流电机在各种小功率装置中应用广泛，它的励磁绕组被永磁体代替，因此使电机结构更简单。永磁体给这些应用带来了许多好处，其中最主要的是，它们不再需要外部激励以及与此相关的功率损耗来产生电机中的磁场。此外，永磁体所需的空间会比励磁绕组所需的空间小一些，因此与类似的外部励磁电机相比，永磁电机的尺寸可能更小一些。随着时代的发展，永磁直流电机的应用会更多，原先用交流电机的许多场合均被永磁直流电机所替代。特别是出现永磁无刷电机后，永磁直流电机的生产数量在不断地上升。
但是，永磁直流电机也会受到由永磁体所带来的限制，这些限制包括由于电动机绕组中过大的电流或永磁体过热所引起的失磁问题，此外，还会受到永磁体所能产生的气隙磁通密度大小的限制。但是随着新型永磁材料的发展，这些永磁体的特性对永磁电机设计的限制会越来越小。
永磁直流电机按照有无电刷可分为永磁无刷直流电机和永磁有刷直流电机。永磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。与他励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型，是一种典型的机电一体化产品。
永磁有刷直流电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。

永磁直流电动机原理：
永磁直流电机是以永久磁体励磁的直流电机。励磁绕组流经电流时产生磁场，既在电枢绕组中产生感应电动势，又在励磁绕组中产生感应电动势。若电枢绕组中有电流Ia，电枢反应磁场与永磁体产生的气隙磁场相互作用，产生电磁转矩而使电机旋转。
永磁直流电动机作用：
永磁直流电动机具有结构简单、维护方便、效率高等优点，因此在许多领域得到了广泛应用。例如，在汽车、家电、电动工具等领域，永磁直流电动机被广泛用于驱动各种设备。