PMSM与BLDC的分割线

PMSM与BLDC的分割线

  说起PMSM电机与BLDC电机区别,其实在现代各种电机应用方面,两者的区别并不大,两者之间可以互相替换。

  先说起源:PMSM电机起源于19世纪20年代,但是当时永磁铁采用的天然矿石,磁能积低,所制成的电机体积大,没有多久就被现代常说的电励磁电机或是异步电机取代,直到20世纪80年代,随着钕铁硼NdFeB材料出现PMSM得到了快速的发展,推动了伺服电机领域的快速进步。

PMSM定子绕组模型

  BLDC无刷直流电机不得不说直流有刷电机,1873年,英国詹.麦克斯韦(这个人大家都应该很熟悉)完成了电磁理论基础(电和磁),电机绕组发展为鼓型绕组,这是直流电机具有了现代直流电机的基本形式,1891年,阿诺尔德建立了直流电枢绕组的理论,当然当时的直流电机都是利用电刷换向。直到本世纪中叶晶体管的诞生,使用晶体管(IGBT)电路代替有刷电机的电刷换向器,采用电子换向形式,克服了有刷电机的寿命、安全、维护保养、过载能力等问题,当时的技术能力有限,霍尔传感器是当时的标配,随着科技进步,不需要霍尔传感器也可以实现电机的转子位置反馈,但在控制精度较高的情况下,步进伺服电机等方面,仍采用霍尔传感器进行转速控制。

BLDC定子绕组模型

  插曲:异步电机出现时间晚于永磁电机,1888年特斯拉发现了电磁感应原理,制成了交流电机,但由于励磁限制,通常称此种电机为异步电机,这种电机结构简单,使用交流电,无火花等优势,广泛应用于工业和家庭中,现代用的非直流变频空调就是这种了(当然直流变频空调是BLDC了)。1902年丹尼尔森提出了同步电机的构想,将转子部分单独直流供电,实现了同步的感应电机,目前这种用途已经淡出了市场,多用于以前的钟表、电唱机、磁带录音机。部分因素是,永磁电机PMSM或是BLDC都是同步电机取代同步的感应电机是历史的趋势。但现代新能源汽车的驱动电机特斯拉是与众不同的,部分车型采用的是感应电机,其中的因素很多了,这里就不再说明了。

  回到重点上,PMSM与BLDC区别,我们常称前者为永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor),后者为直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor),传统区分以两种的反电动势进行区分,前者接近于正弦波,后者接近于梯形波。波形区分相对比较明显,但是波形受到转子磁场的影响,波形并不会很完美。

左:PMSM反电动势EFM波形 右:BLDC反电动势EFM波形


  定子部分对比比较明显,PMSM常用短距分布绕组,偶尔也会用分数绕组,以进一步减小纹波和齿槽转矩;BLDC采用集中绕组。转子部分,以前多用PMSM采用弧形磁钢(以粘结形式居多),BLDC多采用瓦片形状(以烧结形式居多),两者使用上区别并不是很大,以至于现在都可以互换使用,但烧结磁钢的形式磁能积普遍高于粘结形式,所以多采用烧结形式。

  控制策略方面,现代普遍采用矢量控制FOC算法,这些本人不是这方面的人士,不再详细说明了。

  功率密度、转动惯量:普遍认为的两者相同体积、材料均相同,铜损、铁损相同情况下,比较两者输出功率,由于控制方面使用正弦波与梯形波的原因,BLDC功率密度要高15%;因为BLDC可多提供15%的输出功率,所以其可多提供15%的电磁转矩,如果两者转自的转动惯量相同,那么BLDC的转矩惯量要大15%。但由于正弦波控制的稳定性,如果控制策略均使用正弦波控制,两者区别并不明显。

  性能方面:与之前条件相同,普遍BLDC性能高,但齿槽转矩、谐波分量等方面PMSM更具有优势。

  制造工艺:转子制造两者相同,但定子组件从上图很容易看出PMSM更为复杂,主要包含 铁芯冲压——绕线——嵌线——整形——绑线 几道工序,过程中易出现漆伤、槽楔槽绝缘损坏等问题。BLDC主要省去了嵌线、整形的工序,因其绕线过程直接绕在铁芯上。

BLDC绕线机

  总结:实际上BLDC直流无刷电机是一种特殊的PMSM永磁同步电机,区分也仅是集中绕组与分布绕组产生的不同。在设计过程中,选择哪种形式更为适合,取决于客户最终追求的目标和实际生产的加工方式。  



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发布于 2018-07-15

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