车辆、航海、航空、航天运载工具电力系统中的电机结构及分类

无刷直流电机可以按照磁铁在转子上的安放方式进行分类。磁铁可以装在转子表面，也可嵌到转子内部。

11.1.1.1 表面磁铁式无刷直流电机

表面磁铁式转子如图11-2a所示。每一块永磁铁都贴附在转子表面，所以转子结构简单，易于加工。磁铁在转子表面可以斜一定角度以减小脉动转矩。但是，这种结构的转子在高速运转时磁铁可能被甩脱。

11.1.1.2 内置磁铁式无刷直流电机

图11-2b是内置磁铁式转子示意图。每一块永磁体都嵌在转子内部。这种结构的电机不像表面磁铁式电机那样普遍，但是它更适合高速运转。需要注意的是，这种电机由于永磁体被埋在转子内部，产生凸极转子效应，引起定子绕组电感随之变化。因此除了永磁转矩外还有一定的凸极转矩，这一点对于弱磁控制和无传感器控制都有好处。

图11-2 永磁转子剖面图

a）表面磁铁式永磁转子 b）内置磁铁式永磁转子

11.1.1.3 电机分类

按照反电势波形的形状，无刷直流电机驱动可以分为两类：一类是梯形波，一类是正弦波。

1.梯形波反电势

梯形波无刷直流电机的反电势波形被设计成梯形形状。理想的梯形波电机具有如下特点：

1）气隙磁通呈矩形分布；

2）电流波形为矩形；

3）集中式定子绕组。

定子磁场由120°宽的准方波电流产生，在其两侧60°电角度的范围内电流为零。相比于正弦波反电势电机，方波定子励磁电流和梯形波反电势有助于简化控制系统。尤其是转子位置传感器得到大大简化，因为每个周期只需要检测六个换向点。图11-3为梯形波反电势无刷直流电机的定子绕组结构。(www.xing528.com)

图11-3 梯形波反电势无刷 直流电机的定子绕组

三相无刷直流电机驱动的等效电路图、梯形波反电势、定子电流和霍尔传感器信号如图11-4a和图11-4b所示。图中的反电势（e_a，e_b和e_c）是指相电势，是由气隙中的径向永磁磁通以转子转速交链定子绕组产生的。定子绕组是标准的三相整距、集中绕组，三相反电势波形互差120°电角度。定子电流120°导通、60°关断，因此每相电流在360°周期内只有2/3的时间流通。为了用最大的转矩/电流驱动电机，有必要将相电流脉冲和该相的反电势脉冲做成同步。这和传统的同步电机运行方式有所不同。传统的同步电机不需要检测转子位置。因此无刷直流电机也称为自同步电机。

图 11-4

a）三相等效电路 b）反电势、电流及霍尔传感器信号

2.正弦波反电势

正弦波无刷直流电机的反电势波形被设计成正弦形。理想的矩形波电机具有如下特点：

1）气隙磁通呈正弦分布；

2）电流波形为正弦形；

3）分布式定子绕组。

这类电机最基本的特征是由转子磁铁旋转在定子每相绕组中产生的反电势是转子角度的正弦函数。正弦波无刷直流电机的定子相电流类似于交流同步电动机的定子电流。定子电流旋转磁势类似于同步电动机的旋转磁势，因此，我们可以采用相量图来分析。图11-5为正弦波无刷直流电机的绕组分布。

图11-5 正弦波无刷直流电机绕组