永磁无刷直流电机的铁耗分析

　　由于本节所介绍的永磁无刷直流电机及其控制系统的应用场合特殊（空间站用磁悬浮控制力矩陀螺），因此不仅对其可靠性和控制精度有很高的要求，而且对其功耗指标也有严格的限制。
 
　　电机中的电磁场分布和变化极其复杂，对电机中的各种损耗进行精确测量较为困难，一般是通过经验公式、数值计算和间接测量等方法对各损耗进行粗略估计和预测，以此来指导电机设计和控制。
 
　　针对本节中使用的无齿槽的永磁无刷直流电机电机中的损耗主要有：
 
　　1．绕组铜耗
 
　　绕组电流在绕组电阻中引起的热损耗，单电机绕组铜耗由下式表示：

式中，f为电机相电流的有效值，既包括方波电流幅值，又包括相电流中的PWM分量（由于电机的电感较小，电机电流的PWM分量不容忽略）；fi．为绕组工作温度时的相电阻。

　　2．功放损耗

　　主要包括导通损耗、截止损耗、开关损耗、续流管损耗。

　　3．电机铁耗

　　电机的铁耗包括以下几部分：

　　1）永磁磁场旋转在定子铁心中引起的基本铁耗。

　　2）定子电流非连续跳变在转子中引起的铁耗（Commutation Loss）。永磁无刷直流电机馈以120°方波的交变电流，并且三相电流分别相差120°电角度，因此其产生的磁场是离散跳变磁场，在每一个磁状态范围内静止不动，这样就会在旋转的转子中产生涡流损耗（转子磁体、转子磁体保护套、转子铁心）。如果电机的极数较大、转速很高，这一损耗不容忽略。

　　3）定子电流的PWM分量所引起的附加铁耗。由于采用无齿槽绕组，电机的电感、漏感都很小，电机相电流的PWM痕迹特别重，PWM电流分量所产生的磁场就会在电机的各个组成部分中产生涡流损耗，包括定子铁心、定子绕组、转子各组件。由于PWM的频率很高，电流脉动的幅值较大，所以这一部分损耗很大。
 
　　针对电机定子铁耗、由定子电流非连续跳变在转子中引起的铁耗和由定子电流PWM分量引起的损耗，提出了降低损耗的方法。从文中提供的相电压和相电流波形来看，电流中PWM分量十分严重，这是与一般非小电感电机所不同的，因此也由此引起的损耗也不容忽视。
 
　　这一损耗是电流脉动平方的函数。此外，有文献提出了一种多层直流链逆变器（MLDCLI PWM逆变器），可以有效降低由PWM调制引起的电流脉动，从而有效地降低这一损耗。
 
　　除了降低电压来减小电流脉动外，还可以通过增大PWM调制频率来减小电流脉动的幅值，但是提高功率器件的开关频率也会相应地增加消耗在功率器件上的损耗，这就需要综合考虑各方面的因素，找到一个合适的开关频率。
 
　　一般电机本体的各种损耗（尤其是铁耗）很难准确地定量计算，但是对电机各种损耗的产生原因和各种影响因素的分析是对电机进行低功耗控制的前提和基础。
 
　　飞轮和控制力矩陀螺系统作为空间飞行器姿态控制系统的执行机构，其驱动电机的低功耗是其基本要求之一。系统各组成部分——驱动电机系统、径向磁轴承系统、轴向磁轴承系统、轮盘系统具有不同的损耗量值，为降低系统的损耗，必须分清损耗来源和主次。
 
　　根据前面对电机功耗的分析，电机的损耗主要包括：绕组铜耗、功放损耗、电机铁耗。其中，电机铁耗又包括基本铁耗、定子电流非连续跳变引起的损耗和定子电流PWM分量引起的附加损耗。由于本节中的无刷直流电机采用无齿槽无铁心的杯形绕组定子结构，绕组电感很小（一般为0。009mH左右），因此定子电流中的PWM分量非常明显。
 
　　由对电机的以上分析可知，基本铁耗和定子电流非连续跳变引起的损耗是不可避免的；功放损耗主要与开关频率有关，在频率一定的情况下该损耗相对稳定；而PWM分量对定转子涡流损耗和绕组铜耗有很大影响。因此，自然想到减小电流中的PWM分量是降低电机本体损耗的一个有效方法。减小PWM分量可以通过提高PWM调制频率和减小其幅值来实现，但由于提高PWM调制频率将增大功放损耗，并且由Fang Deng等人关于涡流损耗的推导可知该损耗是电流脉动幅值平方的函数，因此减小电流脉动幅值成为降低电机本体损耗的途径。