直流無刷電機的應用與發展前景

張 燁

江蘇省海門市質監局質檢所 226100

隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率器件的不斷出現，采用全控型的開關功率元件進行脈沖調制控制的無刷直流電機已成為主流。隨著半導體工業，特別是大功率電子器件及微控制器的發展，變速驅動變得更加現實且成本更低。

無刷直流電機集特種電機、變速結構、檢測元件、控制軟件與硬件于一體，形成新一代伺服系統，體現了當今應用科學的許多最新成果，是機電一體化的高新技術產品。無刷直流電機集交流電機和直流電機優點于一體，它既具有交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備直流電機運行效率高、調速性能好的特點，同時無勵磁損耗。無刷直流電機和其它電機相比具有高可靠性、高效率和優良的調速性能等諸多優越性，并且隨著新型稀土永磁材料性能的提高與價格的下降，帶來無刷直流電機成本的降低，這種優越性將更加明顯。目前在工業先進的國家里，工業自動化領域中的有刷直流電動機已經逐步被無刷直流電動機所取代。現在從國外進口的設備中，已經很少看到以有刷直流電動機作為執行電動機的系統，一些國家如美國、英國、日本、德國的相關公司經不再大量生產伺服驅動用的有刷直流電動機。

由此可見，無刷直流電動機相對于其它類型電動機來說是一種新型電動機，它的驅動、控制更是和電子技術息息相關，因此，對無刷直流電機本體及其控制方法進行系統、深入的研究有著十分重要的現實意義。

1 無刷直流電機的系統結構及工作原理

1.1 無刷直流電機的特點

無刷直流電機具有許多顯著的特點，它的容量范圍大，電壓種類多，低頻轉矩大，高精度運轉，效率最高比傳統直流電機高30%，調速范圍大，過載容量高，體積彈性大，轉速彈性大，可設計成外轉子電機，制動特性良好可以選用四象限運轉，允許高頻度快速啟動而電機不發燙，通用型產品安裝尺寸與一般異步電機相同易于技術改造。

1.2 無刷電機的組成

無刷直流電機與有刷直流電機相似，它具有旋轉的磁場和固定的電樞。這樣電子換相線路中的功率開關器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電樞繞組連接。在電機內，裝有一個轉子位置傳感器，用來檢測轉子在運行過程中的位置。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機的機械換相裝置。綜上所述，無刷直流電機由電機本體，轉子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，如圖1所示。

圖1 無刷直流電機原理圖

1）電機本體

電動機本體在結構上與永磁同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其他啟動裝置。

2）轉子位置傳感器

轉子位置傳感器在直流無刷電動機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，即將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號，然后去控制定子繞組換相。

3）電子換相線路

當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各項繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。

1.3 基本工作原理

直流無刷電動機為了實現無電刷換相，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉子上，這與傳統直流永磁電動機的結構剛好相反。所以直流無刷電動機除了由定子和轉子組成電動機本體以外，還要由位置傳感器、控制電路以及工具邏輯開關共同構成的換相裝置，使得直流無刷電動機在運行過程中定子繞組所產生的磁場和轉動中轉子磁鋼產生的永磁場。

2 直流無刷電機的優越性

無刷直流電動機用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動機的機械換向裝置,保留了有刷直流電動機寬闊而平滑的優良調速性能,同時又克服了有刷直流電動機機械換向帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等一系列缺點。無刷直流電動機還具有高能量密度,高轉矩慣性比、高效率等特點,在快速性、可控性、可靠性、經濟性等方面具有明顯的優勢,且制造和維修成本大大降低。其優越性體現在以下幾個方面：

1）具有傳統直流電機的所有優點，同時又取消了碳刷、滑環結構；

2）體積小、重量輕、出力大；

3）全面替代直流電機調速、全面替代變頻器+變頻電機調速、全面替代異步電機+減速機調速；

4）轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小；

5）可靠性高，穩定性好，適應性強，維修與保養簡單；

6）可以低速大功率運行，省去減速機直接驅動大的負載；

7）沒有無線電干擾，不產生火花，特別適合爆炸性場所，有防爆型；

8）軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機械制動或電磁制動裝置；

9）無級調速，調速范圍廣，過載能力強；

10）耐顛簸震動，噪音低，震動小，運轉平滑，壽命長。

3 直流無刷電機的使用方向

1）辦公自動化方面。計算機軟、硬驅動器、光盤、驅動器、激光打印機、復印機、傳真機鼓驅動等計算機外部設備及音像處置設備。這類設備要求驅動器電機具有穩速、調速、定位等功用，對低電磁攪擾和低噪聲要求特別高。這類直流無刷電機屬于精細型，尺寸小、加工精度高、產量大。

2）家用電器類產品方面。新一代電冰箱、空調器、吸塵器、洗衣機、電風扇、熱水器等，運用直流無刷電機可完成多功能自動操作：準時、定溫、自動調理，按軟件順序任務，提高了家電產品自動化水平。

3）電動車方面。我國是自行車大國，依照國家綠色環保政策和動力應用可持續開展方針，電動車將成為城鎮和農村居民的消費熱點，將超越國外的增長幅度，成為我國新的經濟增長點。

4）工業自動化設備方面。當前，在數控縫紉機、彩擴機、高速食物攪拌機等普通的輕工機械中，一些要求精細節制速度和地位的設備大多采用無刷電機。此外，在數控機床、組合機床、自動紡織、印刷、包裝、冶金、郵政機械等方面，自動化生產流水線等各類專用設備隨著市場競爭的加劇，采用高新技能配備成為緊迫的要求。采用直流無刷電機可滿足這些機械設備的高效率、高精度、高功能的特殊要求。

5）醫療儀器和器械方面。在血液剖析儀、離心計、牙科器械、醫護監控設備等設備中，常需要小尺寸、高牢靠、長壽命、低噪音、免維護的微型高速電機。

4 國內直流無刷電機的使用與發展前景

當前，我國直流無刷電機的開展正處于加快發展期。我國從上世紀七十年代開始就跟蹤這項新技能，對電機活動節制系統中使用脈寬調制技能(PWM)，脈幅調制技能(PAM)和正弦寬調制技能(SPWM)進行了深刻的研究和理論，為直流無刷電機的開展提供了理論依據和技術基礎。改革開放后，國外各大導體器件廠商搶灘中國市場，使國內以便宜的價格收購到當今世界上最先進的電機專用的大規模集成電路驅動器器件、大功率開關器件、高功能微處置器，MOSFET功率器件和IGB功率模塊等，為推出功能優越、價格低廉的直流無刷電機提供了器件起源。

國內的家電行業，近年來不時推出裝備直流無刷電機的電器產品，鼎力宣傳其優良性和節能效果，就是國內直流無刷電機需求升溫的標志。當前，國內研發和出產的直流無刷電機的種類和數目不是很多，首先是用于軍事國防設備。近年來在空調器、冰箱、洗衣機、電動自行車、微型風機等產品上使用的，普通是輸出功率不大的微型與特種直流無刷電機。在機械、紡織、印染、冶金、輕工等行業所需的與小型交流異步電機功率品級對應的直流無刷電機仍需要加以研究和發展。

面對目前能源緊張，環境污染，氣候變暖，信息網絡社會和機器人產業高速發展的時代，為滿足人與自然的和諧共存，性能優良的直流無刷電機必將有很大的市場；同時磁性材料、電力電子技術、集成電路技術和計算機技術的迅猛發展，為直流無刷電機的發展提供了基礎。由于直流無刷電機具有高效率低能耗、高出力省材料、小型化輕重量和高性能高可靠等優點，已廣泛使用于各個領域，其市場前景十分看好，必將成為未來電機發展的主流。

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