永磁同步電機之永磁直流電動機的動態(tài)特性

永磁直流電動機的一個重要用途是作為控制用電動機，是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，如永磁直流伺服電動機和永磁直流力矩電動機等。前者將輸入的電壓信號變換成轉軸的角位移或角速度輸出；后者能夠長期處于堵轉或低速狀態(tài)下工作并輸出大轉矩，可以不經過齒輪等減速機構直接驅動負載。對于這類用途的永磁直流電動機，往往對其動態(tài)性能有嚴格的要求。一般要求電機具有優(yōu)良的快速響應特性，即要求電機的機電時間常數(shù)小、轉矩轉動慣量比大；調速范圍寬；另外還要求電機的轉矩脈動小，低速運行平穩(wěn)．

1永磁直流電動機的動態(tài)方程

為了滿足自動控制系統(tǒng)快速響應的要求，當電壓控制信號改變時，要求電動機的轉速變化能迅速跟上控制信號的改變，就要求電動機的動態(tài)過渡過程越短越好。永磁直流電動機的動態(tài)過程是一個非常復雜的機電瞬變過程。在整個機電過渡過程中，電氣過渡過程和機械過渡過程同時存在，兩者交疊在一起，又相互影響。

永磁直流電動機的動態(tài)方程如下：。

2永磁直流電動機的傳遞函數(shù)和時間常數(shù)

對式（5 -53 ) 與 ( 5一56）進行拉普拉斯變換，并令全部初始條件為零，整理可得：以外施電壓U ( '）和負載轉矩T ,為輸入量，以角速度（,）為輸出量，由式（5-57 )和 ( 5一60）可作出永磁直流電動機的動態(tài)方程框圖，如圖5一30所示。由圖可見，永磁直流電動機本身是一個閉環(huán)系統(tǒng)，感應電動勢引入了與電動機角速度成正比的負反饋信號，增加了系統(tǒng)的有效阻尼。

通常，由于電樞繞組電感幾很小電氣時間常數(shù)乙與機械時間常數(shù)‘相比要小得多，所以往往可以略去電動機的電氣過渡過程，即近似認為：此時電壓一角速度傳遞函數(shù)變?yōu)?。影響電動機時間常數(shù)的因素很多，除了電磁參數(shù)以外，機械參數(shù)也對時間常數(shù)有很大影響，在電機設計中要全面考慮。

3永磁直流電動機的轉矩脈動和低速平穩(wěn)性

在永磁直流電動機的某些應用場合，如數(shù)控機床、加工中心及航空航天工程等．要求電動機能夠在低速時輸出較大的轉矩且能平穩(wěn)運行，即要求電動機具有良好的低速平穩(wěn)性。影響永磁直流電動機低速平穩(wěn)性的直接因素是轉矩脈動，良好的低速平穩(wěn)性要求電動機在低速時轉矩脈動小。引起電動機轉矩脈動的因素主要有兩個方面：

1）換向引起的轉矩脈動在理想情況下，電機的換向發(fā)生在零磁密處，元件中電流的切換不會引起轉矩的脈動。但實際上，一方面因電樞反應使氣隙磁密分布發(fā)生畸變和繞組短距等原因，換向不是發(fā)生在零磁密處；另一方面又因電動機的元件數(shù)和換向片數(shù)不可能無限多，支路元件數(shù)和支路電動勢都在波動。此外還由于換向器表面不平，使電刷與換向器之間的滑動摩擦轉矩有所變化，這些因素都會使永磁直流電動機的輸出轉矩發(fā)生脈動。

2）齒槽效應引起的轉矩脈動在有槽電樞永磁直流電動機中，由于齒槽的存在，使永磁體與所對著的電樞表面間的氣隙磁導不均勻，由此產生磁阻轉矩，引起電動機輸出轉矩的脈動。為了減小因換向引起的轉矩脈動，主要在結構上采取措施，一般采用多槽結構，增加元件數(shù)和換向片數(shù)，并使電刷的寬度適當減小，相應使換向區(qū)變小。對于多極電動機，電樞繞組采用單波繞組，以消除多極磁場不對稱對電樞繞組電動勢的影響，保證支路電動勢平衡。此外，單波繞組還可減少電刷對數(shù)，使摩擦力矩有所降低，從而削弱因摩擦帶來的轉矩脈動。對于由電樞齒槽所引起的轉矩脈動，可采取以下措施加以削弱：

1）盡可能增多電樞槽數(shù)，適當加大電動機的氣隙，以降低氣隙磁阻不均勻度，減小由此產生的轉矩脈動。

2）減小槽口寬度，采用磁性槽楔，以減小氣隙磁阻的變化，削弱磁阻轉矩。

3）采用奇數(shù)槽，使電動機的槽數(shù)與極對數(shù)之間無公約數(shù)，以削弱電樞轉動時引起的電動機磁場的波動，減小轉矩脈動．

4）采用斜槽，以削弱或消除齒諧波磁場所引起的轉矩脈動．對于對低速平穩(wěn)性有更高要求的電動機，除了考慮采取上述措施外，還可考慮采取特殊的電樞結構。如無鐵心電樞結構、無槽電樞結構、動圈式結構及印制電路繞組等采用這些結構不僅可極大地削弱或消除由于齒槽效應引起的轉矩脈動，還可大大減小電動機的轉動噴量，使電動機具有優(yōu)良的決速響應特性。