電機丨PMSM與BLDC的分割線

EDC電驅未來

2021年7月1日 11:35

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電機丨PMSM與BLDC的分割線的圖1

說起PMSM電機與BLDC電機區(qū)別，其實在現(xiàn)代各種電機應用方面，兩者的區(qū)別并不大，兩者之間可以互相替換。

　　先說起源：PMSM電機起源于１９世紀２０年代，但是當時永磁鐵采用的天然礦石，磁能積低，所制成的電機體積大，沒有多久就被現(xiàn)代常說的電勵磁電機或是異步電機取代，直到２０世紀８０年代，隨著釹鐵硼ＮｄＦｅＢ材料出現(xiàn)PMSM得到了快速的發(fā)展，推動了伺服電機領域的快速進步。

　　 BLDC無刷直流電機不得不說直流有刷電機，１８７３年，英國詹．麥克斯韋（這個人大家都應該很熟悉）完成了電磁理論基礎（電和磁），電機繞組發(fā)展為鼓型繞組，這是直流電機具有了現(xiàn)代直流電機的基本形式，１８９１年，阿諾爾德建立了直流電樞繞組的理論，當然當時的直流電機都是利用電刷換向。直到本世紀中葉晶體管的誕生，使用晶體管（IGBT）電路代替有刷電機的電刷換向器，采用電子換向形式，克服了有刷電機的壽命、安全、維護保養(yǎng)、過載能力等問題，當時的技術能力有限，霍爾傳感器是當時的標配，隨著科技進步，不需要霍爾傳感器也可以實現(xiàn)電機的轉子位置反饋，但在控制精度較高的情況下，步進伺服電機等方面，仍采用霍爾傳感器進行轉速控制。

　　插曲： 異步電機出現(xiàn)時間晚于永磁電機，１８８８年特斯拉發(fā)現(xiàn)了電磁感應原理，制成了交流電機，但由于勵磁限制，通常稱此種電機為異步電機，這種電機結構簡單，使用交流電，無火花等優(yōu)勢，廣泛應用于工業(yè)和家庭中，現(xiàn)代用的非直流變頻空調(diào)就是這種了（當然直流變頻空調(diào)是BLDC了）。１９０２年丹尼爾森提出了同步電機的構想，將轉子部分單獨直流供電，實現(xiàn)了同步的感應電機，目前這種用途已經(jīng)淡出了市場，多用于以前的鐘表、電唱機、磁帶錄音機。部分因素是，永磁電機PMSM或是BLDC都是同步電機取代同步的感應電機是歷史的趨勢。但現(xiàn)代新能源汽車的驅動電機特斯拉是與眾不同的，部分車型采用的是感應電機，其中的因素很多了，這里就不再說明了。

　　回到重點上，PMSM與BLDC區(qū)別，我們常稱前者為永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor），后者為直流無刷電機（Brushless Direct Current Motor），傳統(tǒng)區(qū)分以兩種的反電動勢進行區(qū)分，前者接近于正弦波，后者接近于梯形波。波形區(qū)分相對比較明顯，但是波形受到轉子磁場的影響，波形并不會很完美。

電機丨PMSM與BLDC的分割線的圖4 — 左：PMSM反電動勢EFM波形右：BLDC反電動勢EFM波形

　　定子部分對比比較明顯，PMSM常用短距分布繞組，偶爾也會用分數(shù)繞組，以進一步減小紋波和齒槽轉矩；BLDC采用集中繞組。轉子部分，以前多用PMSM采用弧形磁鋼（以粘結形式居多），BLDC多采用瓦片形狀（以燒結形式居多），兩者使用上區(qū)別并不是很大，以至于現(xiàn)在都可以互換使用，但燒結磁鋼的形式磁能積普遍高于粘結形式，所以多采用燒結形式。

　　 控制策略方面，現(xiàn)代普遍采用矢量控制FOC算法，這些本人不是這方面的人士，不再詳細說明了。

　　功率密度、轉動慣量：普遍認為的兩者相同體積、材料均相同，銅損、鐵損相同情況下，比較兩者輸出功率，由于控制方面使用正弦波與梯形波的原因，BLDC功率密度要高１５％；因為BLDC可多提供１５％的輸出功率，所以其可多提供１５％的電磁轉矩，如果兩者轉自的轉動慣量相同，那么BLDC的轉矩慣量要大１５％。但由于正弦波控制的穩(wěn)定性，如果控制策略均使用正弦波控制，兩者區(qū)別并不明顯。

　　 性能方面：與之前條件相同，普遍BLDC性能高，但齒槽轉矩、諧波分量等方面PMSM更具有優(yōu)勢。

　　 制造工藝：轉子制造兩者相同，但定子組件從上圖很容易看出PMSM更為復雜，主要包含　鐵芯沖壓——繞線——嵌線——整形——綁線　幾道工序，過程中易出現(xiàn)漆傷、槽楔槽絕緣損壞等問題。BLDC主要省去了嵌線、整形的工序，因其繞線過程直接繞在鐵芯上。