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摘要
无刷直流电机与永磁同步电机具有许多相似之处，但也存在一些差异。本文阐述了无刷直流电机与永磁同步电机的界定方法，对两者的结构进行了比较分析，对无刷直流电机与永磁同步电机的调速范围、起动性能、转矩脉动、能耗与效率、最大输送功率能力、对电机参数敏感性等运行性能指标对进行了比较，并给出了详细的理论说明或证明。基于上述比较结果，理清了两者的异同之处，为在实际场合选用电机提供了一定的指导意义。
引 言
与传统的电流励磁电机相比，永磁电机具有损耗小、效率高、体积小、结构简单、功率因数高、质量轻、成本低等优点，因而广泛应用于各种场合工业场合并且具有很大的发展空间 。无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM) 和永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)是最常用的永磁电机。这两种电机具有很大的相似之处，然而两者统一中也存在对立的一面，两者在结构、运行性能、控制方法等方面具有一些差异。目前，很少有文献对两者做出比较系统的比较分析，更很少有文献对两者运行性能指标比较做出理论分析或证明，如此一来，给不少电机研习者带来众多不便，造成知其然不知其所以然的局面。为此，本文立足前人研究的科研成果，对 BLDCM 和 PMSM 做了一个系统的理论比较，为同行的学习、研究起指导作用，为各生产企业选用电机提供一定参考价值。
1 BLDCM 与 PMSM 的界定
目前，国内外关于 BLDCM 与 PMSM 的界定方法不一。文献［2］根据 BLDCM 的结构和工作原理将BLDCM 定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”。文献［3-4］根据定子电流波形对 BLDCM与 PMSM 进行界定。文献［3］将电流波形为梯形波或者方波的无刷电机定义为无刷直流电机，将电流波形为正弦波的无刷电机定义为 PMSM。文献［4］将电流波形为梯形波、方波和正弦波的无刷电机都统称为 BLDCM。尽管各文献对 BLDCM 与 PMSM 的界定方法各抒己见，但目前国内外基本上已经默认按文献［3］中的界定方法来区分 BLDCM 和 PMSM。
2 结构比较
BLDCM 和 PMSM 的基本结构相似。以三相全桥式逆变电路驱动为例，其基本结构图如图 1 所示。两者均是由转子位置检测装置、电动机本体及电子换相器(逆变器和控制器)三部分组成 。
BLDCM 和 PMSM 电机本体设计所用的材料没有本质差别，都是根据具体应用场合而定。为减少齿槽转矩脉动、电机噪声与振动，BLDCM 和 PMSM 的定子槽口设计通常均采用定子斜槽、分数槽、转子斜极、辅助凹槽及齿槽宽配合法等 ［5］ 。但是，由于BLDCM 和 PMSM 的反电动势波形和定子电流波形不同，所以其电机本体结构也存在差异。具体如下:
(1) BLDCM 的永磁体设计成瓦片形状，以产生梯形的磁通密度，从而产生梯形波的反电动势; 而PMSM 的永磁体通常设计成抛物线形状，以产生正弦的磁通密度，从而产生正弦的反电动［6］ 。
(2)电机绕组的设计存在差异。BLDCM 定子绕
组通常设计成集中、整矩绕组; PMSM 定子绕组通常设计成分布、短距绕组，分数槽或正弦绕组 ［6］ 。
当 BLDCM 和 PMSM 均采用传统有位置传感器控制时，两者使用的位置传感器也存在较大差异。BLDCM 只需准确检测电流换向点时刻即可保证其正常工作，故 BLDCM 使用的位置传感器结构比较简单、分辨率也比较低，通常用的位置传感器有光电式、电磁式、磁敏式等几类
［3，7］ 。而 PMSM 需要正弦波电流，电流大小是由转子瞬时位置决定，故要选用旋转变压器等高分辨率的位置传感器需要对转子位置进行实时检测，导致 PMSM 的生产成本要比BLDCM 更高［7］ 。
传统的有位置传感器控制系统增加了控制系统
的自身重量和体积，降低了控制系统可靠性，加大了维护的难度，因而 BLDCM 和 PMSM 的无位置传感器控制是国内外学者倾心研究的方向 ［8］ 。对于 BLD-CM 和 PMSM 的无位置传感器控制方法，基于反电动势过零检测的方法只适用于 BLDCM，不适用于PMSM。其余均适用于 PMSM 和 BLDCM 的无位置传感器控制法有电感法、基于观测器法、人工智能法、磁链法等［8-9］ 。
3 运行特性比较
3. 1 调速范围比较
在基频以下，可以通过 PWM 技术通过逆变电路占空比来实现永磁电机的调速; 而在基速以上运行时，端电压已凋至最大限制，如果转速继续上升，反电势也将增大，定子电流将减小，最终会使得定子电流减小到零［10-12］ 。此时，永磁电机无法产生电磁转矩，电机将停转。而永磁电机由于其转子是由永励磁磁场是永磁体产生，无法进行调节，从而限制了永磁电机在对调速范围要求较宽场合的应用［11］ 。
针对这一问题，相关文献提出了永磁电机的恒功率弱磁调速技术［13］ 。永磁电机的弱磁调速原理是通过电机的优化设计及采用合理的控制策略控制电枢反应使之产生去磁的电枢反应磁场，从而达到等效弱磁的目的［12］ 。通过弱磁控制，PMSM 调速范围扩宽效果比较明显。文献［14-15］分别采用轴向叠片内嵌永磁体结构和两段式混合转子结构分别实现了5. 3 倍基速最大恒功率转速范围和4 倍基速最大恒功率转速范围。对于 BLDCM，目前主要是通过超前换相控制来实现弱磁控制，从而达到扩宽转速范围的目的，其原理图如图 2 所示，图中 γ 表示超前换相角。但考虑到电机运行对连续工作电流的限制，γ一般不宜超过 30°电角度，从而限制了弱磁调速的范围，一般只能达到 1. 2 到 1. 3 倍基速最大恒功率转速范围。综合以上分析，当电机输出功率及逆变器容量相同时，PMSM 比 BLDCM 的调速范围更广。
3. 2 起动性能比较
对于 BLDCM，电压平衡方程和转矩方程为U = e + I a Ｒ a (1)式中，U 是电源电压，e 为定子反电动势，I a 为定子绕组相电流，T e 为电磁转矩，K t 为转矩系数。
当 BLDCM 刚起动时，电机的转速 n 很少，由
e = c e n 可知，e 很少。再由式(1)、式(2) 可知，BLDCM 的起动电流很大，起动转矩很大，故 BLD-CM 具有很好的起动性能。
而 PMSM 通常采用异步起动法，其起动性能与
异步电动机类似。PMSM 刚起动时，转差率 s 为最大值，转子电动势 E 也最大，因而起动电流很大。但是考虑到以下两个因素: (1)起动时，s =1，转子漏电抗最大，转子侧功率因数很低，因而，起动时转子绕组电流有功分量很小; (2) 起动电流大导致定子绕组的漏阻抗压降增大，将导致电源输出电压下降，使得每极气隙磁通量下降。由此可知，PMSM的起动转矩不是很大，其起动性能要比 BLDCM 差。
3. 3 转矩脉动的比较
多年来，电机的转矩脉动研究一直是众多学者
研究的热点问题。转矩脉动会影响系统的控制精度会引起电机的振动，使得电机的稳定性降低，从而限制了电机在高精度及对稳定性要求高场合的应用［16］ 。
对于 PMSM 和 BLDCM，其转矩脉动的原因比较
如表 1 所示。
在表 1 中，由于换相而造成 BLDCM 的转矩脉动
比例非常大，而 PMSM 基本上不存在换相转矩脉动。所以，相对于 PMSM，BLDCM 具有转矩脉动大的缺点，在对电机运行平稳性要求高的场合不宜采用BLDCM。目前，对 PMSM 和BLDCM 转矩脉动主要是从电机的优化设计和控制策略角度来着手解决的［17］ 。
3. 4 能耗与效率的比较
BLDCM 和 PMSM 能耗主要由 3 部分组成: 铜
耗、铁耗、机械损耗、杂散损耗等。
3. 6 对电机参数敏感性比较
由于 PMSM 的气隙比 BLDCM 的气隙要略小。所以，PMSM 的磁路更容易饱和。PMSM 的交轴电抗和直轴电抗会随电机磁路饱和等因素而变化，从而影响输出力矩的磁阻力矩分量 ［19］ 。所以，PMSM 对电机参数的变化比 BLDCM 要敏感，但当 PMSM 工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，其矢量控制系统对参数变化的敏感性与 BLDCM 基本相同［18］ 。
4 结 语
BLDCM 和 PMSM 具有非常大的相似之处，但也存在差异。两者的本质区别在于其所需的反电动势的不同，定子电流波形的不同。为此，对两者在结构、运行性能等方面，做了系统的理论比较分析，理清了两大永磁电机的异同之处，为在实际场合选用电机提供了一定的指导意义。
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