(本節(jié)得到電機行業(yè)從業(yè)資深技術(shù)專家：韋榮毅，胡軍懷，崔太是，蔣雄志等技術(shù)支持)

1、直流無刷電機的概述

永磁直流無刷電機有許多優(yōu)點，如干擾小(電路部分有一定的電磁干擾的)，運行壽命長，調(diào)速性能好，控制方法多，輸出力矩大，過載能力強，調(diào)速范圍寬，起動響應快，運行平穩(wěn)，效率高等。永磁無刷直流電機有許多交流異步電機，步進電機和直流電機不具備的優(yōu)點。它廣泛應用于辦公機械，醫(yī)療器械，智能穿戴，電腦，音響，通風行業(yè)，自動控制，儀器儀表，汽車，國防工業(yè)等等領域，特別一提的是，在電腦中，光驅(qū)動器，硬盤，DVD等大量用了非常精密的形式不一的永磁無刷直流電機，永磁直流無刷電機已經(jīng)在時刻影響著人們的生活。

隨著控制器的小型化，模塊化，以前做得較大的控制器現(xiàn)在可以做得更小，有的可以和電機做在一起，使永磁無刷電機使用起來那么方便，那么的得心應手。許多永磁直流電機日益被永磁無刷直流電機所替代。在電機界，研究，開發(fā)永磁直流無刷電機是一種新的趨勢。這方面的論著也比以往多起來了。

2、永磁直流無刷電機機械特性的關系分析和計算

永磁無刷直流電機和永磁直流電機有些區(qū)別，電機的定子和交流異步電機的定子相差不多，轉(zhuǎn)子又和直流電機的定子原理差異不大，供電又類似交流電機供電，供電方式也各式各樣。因此作者還沒有看見過介紹整個無刷電機的機械特性曲線計算公式的書籍，求取電機的空載點和負載點的計算公式非常復雜，但是電機千變?nèi)f化也不會偏離電機電磁關系的主要原理。是否可以從復雜的直流無刷電機的機械特性找出其規(guī)律，能夠抓住這種電機的內(nèi)在聯(lián)系，從而提高我們對無刷電機的本質(zhì)的認識。所以作者從新的角度出發(fā)來看無刷電機的機械特性的內(nèi)在關系。

我們可以看到，從上面介紹的各種無刷電機測量，其計算電機的輸入功率都是視換向電路和電機聯(lián)在一起作為一個系統(tǒng)來考慮電機的效率的。而且換向系統(tǒng)僅起電子換向作用，在這種情況下，無刷電機就是把機械換向器成了電子換向器罷了。

從另外的角度看，電機的性能和相關特性常數(shù)與永磁電機的非常相象，是否可以認為直流永磁無刷電機和直流永磁電機的機械特性曲線內(nèi)部的關系是否相同呢？是否可以把永磁直流電機的機械特性計算公式用于永磁直流無刷電機呢？如果可行的話，將對我們設計、計算永磁無刷電機帶來了極大的方便。

表1 90永磁直流無刷電機實測數(shù)據(jù)

U (V)	I (A)	T (N.m)	n (r/min)	Po (W)	Pi (W)	η (%)	KE=8.3V/Krpm
24	1.5	0	2892	0.00	36.00	0.00	KT(N.m/A)
24	3.8	0.2	2774	58.09	91.20	63.70	0.0870
24	5.2	0.3	2716	85.32	124.80	68.36	0.0818
24	8	0.5	2600	136.13	192.00	70.90	0.0777
24	9.6	0.63	2544	167.82	230.40	72.84	0.0777
24	11.8	0.8	2464	206.41	283.20	72.88	0.0777
24	14.4	1	2393	250.58	345.60	72.50	0.0775
24	17	1.2	2311	290.39	408.00	71.17	0.0774

表1內(nèi)粗體黑字并有下劃線的點，作為電機的最大效率點，該點僅是最大效率點附近，設為最大效率點，這樣計算有些誤差，另外我把化為用的是10.19關系，計算還要受一點影響的。

最大效率為0.7288

最大效率點轉(zhuǎn)矩:0.8=8152

最大效率點轉(zhuǎn)速:2464

最大功率點電流:11.8

計算整個機械特性曲線:

電機的理想空載轉(zhuǎn)速：

電機的空載轉(zhuǎn)速：

電機的空載電流：

電機的空載轉(zhuǎn)矩：

電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 ：

電機的計算堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：

電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù) ：

電機的電勢常數(shù) ：

(用對拖法測出:)

電機的堵轉(zhuǎn)電流 ：

電機的電樞電阻：

電機的輸出功率：

電機的輸入功率：

電機任何點的轉(zhuǎn)速：

我們?nèi)∪稳∫稽c的轉(zhuǎn)矩，如表上的0.5作為驗算其轉(zhuǎn)速和計算轉(zhuǎn)速的差別:

相對誤差:

相對誤差:

我們?nèi)∪稳∫稽c的轉(zhuǎn)矩，如表上的1.2作為驗算其轉(zhuǎn)速和計算轉(zhuǎn)速的差別:

相對誤差:

相對誤差:

以上計算其推算值和實測值的相對誤差極小，這個誤差包括了該點僅是最大效率附近的點，與最大效率點之間的誤差和電機測量該點的誤差等。

從上面的計算和分析，我們可以這樣認為:永磁無刷直流電機和永磁直流電機的機械特性曲線的內(nèi)在關系是相同的。因此我們用本書推導出的永磁直流電機的機械特性關系公式來計算永磁直流無刷電機是完全可行的。這樣只要知道無刷電機的相關的幾個量，我們就可以用本書介紹的方法把整個無刷電機的機械特性曲線很方便的計算出來，這也是非常高興的事。

3、永磁直流無刷電機力矩常數(shù)和電勢常數(shù)

無刷電機(系統(tǒng))的力矩常數(shù)計算公式為:

公式 (1)

是電機通電工作時的通電電流的線圈有效匝數(shù)。

是電機通電繞組的總工作磁通。

無刷電機電勢常數(shù)(系統(tǒng)):

(3)

實際上， (4)

當電機的最大效率從 0.65~0.85時的值接近于1，數(shù)據(jù)見表6。

表5

電機最大效率
0.65	0.9624
0.7	0.9733
0.8	0.9888
0.85	0.9939

一般電機的最大效率在0.7~0.85之內(nèi)，所以以上公式可以近似:

(5)

從我們的另外一個思路看:

一個電機的工作是電壓確定的，如果電機的空載轉(zhuǎn)速確定后，電機的基本上就是:

(6)

或者這個電機的最大效率大概知道的話，這個電機的可以很精確的確定:

(7)

從公式1-22看，所以:

(8)

(9)

(10)

如果要求精確一些的話:

(11)

這個公式是從電勢常數(shù)角度求出電機有效導體數(shù)的實用公式，

在實際的工作中，設計工作者看重的是無刷電機的電勢常數(shù)，我們也可以用這個公式求出電機的有效匝數(shù)。

(12)

4永磁直流無刷的Y-等效繞組

方波驅(qū)動的永磁直流無刷電機的Y-等效繞組和交流三相電機繞組關系一樣，這個結(jié)論已經(jīng)有許多人討論和驗證了，即三角形繞組的每相匝數(shù)是星形繞組的倍，繞組導體截面積是倍:

(13)

(15)

就是講，這二個不同繞組接法的無刷電機在同一個方波驅(qū)動器，它們的空載轉(zhuǎn)速應該是一樣的，由于二個電機的繞組接法不一樣。因此電機的內(nèi)部電阻，橋臂電壓，電源內(nèi)阻和換向電阻壓降是不一樣的。但是表征它們基本性能電機的電勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)應該是一樣的

事實上因為三角形的內(nèi)阻小，工作電流大，驅(qū)動器的晶休管壓降就大，加在電機上的電壓反而小，特性反而軟。

因為電機的電勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)在電機的機械特性中的唯一性，在永磁無刷直流電機的產(chǎn)品規(guī)格中經(jīng)常用測量出來的電機線電勢常數(shù)換算出的電機的電勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)來表示電機的基本機械性能。

如果二個電機每相繞組相同，接法不同，那么星形接法的電壓應該是三角形接法的倍時，它們的空載轉(zhuǎn)速應該是相等的。如果星形接法的電機的36V DC, 那么接成三角形接法的話，其電壓就應該為:，因為三角形的特性軟些，用24V作為三角形的工作電壓，雖然空載時的轉(zhuǎn)速高些，在負載時可以和三角形的接法的性能相近。

5永磁直流無刷電機的線反電勢常數(shù)和電機電勢常數(shù)

實際工作中，因為電機的空載轉(zhuǎn)速是相近于電機的理想空載轉(zhuǎn)速，但空載轉(zhuǎn)速和電機的最大效率點有關，所以從空載轉(zhuǎn)速計算電機的還是有誤差的。為此工廠用發(fā)電機法求電機的線反電勢常數(shù)。

方法介紹如下:

用電機拖動無刷電機的轉(zhuǎn)軸，使無刷電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動在一個恒定轉(zhuǎn)速，如1000, 測量無刷電機的其中二根引線端的電壓，這個無刷電機在1000時的二相反電勢，這個反電勢對于每轉(zhuǎn)的比是一個常數(shù)，稱無刷電機線反電勢常數(shù):

(16)

星形或三角形的線電勢常數(shù)和無刷電機系統(tǒng)的電勢常數(shù)的關系為:

(17)

因為當無刷電機作為同步發(fā)電機產(chǎn)生電勢，其波形是交變的正弦波，而如果我們是用萬用表測出的是其波形的有效值，為此其幅值必須是它的倍，而我們是用其幅值的直流電壓進行電子換向后輸入無刷電機后，其發(fā)電機的產(chǎn)生的電勢幅值和電動機輸入的電壓值相同。

這時我們不考慮無刷電機的電子換向器的各種形式和無刷電機在工作時驅(qū)動電源內(nèi)部的損耗和壓降，這時電機的電勢常數(shù)是唯一的，那時的電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)也是唯一的，因此電機的電勢常數(shù)為:

(18)

電機的電勢常數(shù)和線電勢常數(shù)是關系，星形和三角形都一樣。

從上面的分析看，用發(fā)電機法測出電機的電勢常數(shù)，再換算成電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)來表示電機的機械特性是可以代表該無刷電機最佳狀態(tài)的機械特性(驅(qū)動器沒有任何損耗)。

6永磁直流無刷電機的電勢常數(shù)和電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)

如果我們討論的永磁無刷電機的電源是直流電源，驅(qū)動的晶體管是MOS管，在電機的負載很小時，那么在晶體管上的壓降很小，如果忽略不計，產(chǎn)生的波形是典型的方波，那么無刷電機的驅(qū)動器等于的永磁直流電機的換向器，不考慮電機的電子換向，電機的電流，電機的電感等等和永磁直流電機不同的的因素，那么在大略的方面的意義上，用測出無刷電機的線電勢常數(shù)后求出的電機的電勢常數(shù)和相應的電機的力矩常數(shù)的有一定的關聯(lián)的:

電機線電勢常數(shù)= 電機電勢常數(shù) (19)

電機電勢常數(shù)電機力矩常數(shù) (20)

如果電勢常數(shù)用，力矩常數(shù)用, 那么它們的關系就是:

(21)

并不是我們要牽強附會地一定要把電機的線電勢常數(shù)和電機的電勢常數(shù)及電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)聯(lián)系在一起，事實上，在基本的條件下，上面的公式對我們設計無刷電機時有極大的幫助。

由于無刷電機有了驅(qū)動器的緣故，所以其機械特性曲線不是一條理想的直線。是一條上翹下彎的曲線，如圖49所示。

圖49

其特點是無刷電機在輕載時的轉(zhuǎn)速相對要高，重載時轉(zhuǎn)速相應就低。就是講無刷電機在輕載和重載時的特性都比較軟。因此用電機的發(fā)電機法求出電機的電勢常數(shù)求出電機的力矩常數(shù)是有誤差的。因為無刷電機的空載比較高，電機的相對比較小，這時計算的電機的就比較小，從圖8-10-49上看無刷電機曲線的中部的線條特性比較硬，這時電機的值和從電機的推算值求出的電機值相比要大，有時相差很大。但是無刷電機和串激電機的機械特性相比，無刷電機的的機械特性曲線就要平直得多了。

因此電機的力矩常數(shù)最好不應該用:，應該用1-2點相鄰數(shù)值之間求取電機的力矩常數(shù)，這樣可以準確些。

表8

U (V)		I (A)		M (N.m)		n (rpm)	Pa  (W)	Pi  (W)	η (%)	kt kt與第一點計算	kt用相鄰點計算
	48		0.76		0	3365	0.00	36.48	0.00	0
	48		4.9		0.5	3251	170.21	235.20	72.37	1231.52	1231.52
	48		6.4		0.7	3219