三相無刷直流電機(jī)繞組最普遍的是采用三相繞組,三相繞組有星形接法和三角形接法,兩種方式各有優(yōu)劣,航模與無人機(jī)動(dòng)力無刷直流電機(jī)常用的方式為三角形接法,小尺寸電機(jī)會(huì)采用星形接法。
無刷直流電機(jī)是電機(jī)與控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品,電調(diào)控制電機(jī)的運(yùn)行,從電流驅(qū)動(dòng)的角度看,無刷直流電機(jī)可以分為方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)。通常我們將方波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)稱之為無刷直流電機(jī)(BLDC),正弦波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)稱之為永磁同步電機(jī)(PMSM)。
無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)相同,主要區(qū)別在于控制器電流驅(qū)動(dòng)方式不同。無刷直流電機(jī)是方波電流驅(qū)動(dòng),永磁同步電機(jī)是正弦波電流驅(qū)動(dòng)。我們要將電機(jī)的氣隙磁密波形與驅(qū)動(dòng)電流波形相匹配,才能發(fā)揮出電機(jī)更好的性能。因此,無刷直流電機(jī)的氣隙磁密波形也要設(shè)計(jì)成方波,而永磁同步電機(jī)氣隙磁密波形則要設(shè)計(jì)成正弦波。
無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)在性能上,在轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)上存在著較大的差異。電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形有許多因素造成,齒槽效應(yīng)是無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的共同因素。目前減小齒槽效應(yīng)的措施也有多種,常見的如定子斜槽、轉(zhuǎn)子斜極、分?jǐn)?shù)槽等。在理想情況下,無論是無刷直流電機(jī)還是永磁同步電機(jī),電流與轉(zhuǎn)矩的特性曲線是呈線性變化的,不管電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在任何位置都不會(huì)有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在實(shí)際情況下,由于無刷直流電機(jī)的繞組存在電感,它妨礙了電流的快速變化。在換相過程中,電流從最大值到最小值、最小值到最大值切換過程需要一定時(shí)間。
因此,輸入到無刷電機(jī)中的電流波形是梯形而不是矩形的。正是這種偏離導(dǎo)致無刷直流電機(jī)存在換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在永磁同步電機(jī)中驅(qū)動(dòng)器換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幾乎是沒有的,它的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要是由電流紋波造成的,而且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),這些紋波轉(zhuǎn)矩將會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的慣性過濾掉。
永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小于無刷直流電機(jī),因此運(yùn)行更細(xì)膩柔和。但在功率密度上,無刷直流電機(jī)要比同體積的永磁同步電機(jī)高。有前人做過計(jì)算,同體積的無刷直流電機(jī)要比永磁同步電機(jī)高出約15%的輸出功率,這意味著,當(dāng)兩者的額定轉(zhuǎn)速相同時(shí),無刷直流電機(jī)能夠獲得15%的電磁轉(zhuǎn)矩的增加。如果兩種電機(jī)都在恒轉(zhuǎn)矩模式下運(yùn)行,無刷直流電機(jī)單位電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要比永磁同步電機(jī)要高。綜合兩種電機(jī)的特點(diǎn),當(dāng)使用場(chǎng)合對(duì)重量或空間有嚴(yán)格要求,且運(yùn)行平穩(wěn)性要求不高時(shí),宜采用無刷直流電機(jī),若對(duì)電機(jī)有高的穩(wěn)速精度要求時(shí),應(yīng)采用永磁同步電機(jī)。
由于正弦波永磁同步電機(jī)無論在運(yùn)行原理、控制及功能上都比方波永磁同步電機(jī)更接近其他的交流電機(jī)。永磁同步電機(jī)最基本的控制方式使矢量控制,這需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通進(jìn)行解耦,諸多種需要實(shí)現(xiàn)的控制特性,如功率角、功率因素、恒磁鏈、最大單位電流轉(zhuǎn)矩、功率和磁通的相位角、恒功率損耗以及最大效率都需要通過矢量控制器得以實(shí)現(xiàn),因此相應(yīng)地出現(xiàn)了多種控制策略。