直流无刷电机的应用与发展前景

张 烨

江苏省海门市质监局质检所 226100

随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制控制的无刷直流电机已成为主流。随着半导体工业，特别是大功率电子器件及微控制器的发展，变速驱动变得更加现实且成本更低。

无刷直流电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成新一代伺服系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品。无刷直流电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的下降，带来无刷直流电机成本的降低，这种优越性将更加明显。目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所取代。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家如美国、英国、日本、德国的相关公司经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机。

由此可见，无刷直流电动机相对于其它类型电动机来说是一种新型电动机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，因此，对无刷直流电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。

1 无刷直流电机的系统结构及工作原理

1.1 无刷直流电机的特点

无刷直流电机具有许多显著的特点，它的容量范围大，电压种类多，低频转矩大，高精度运转，效率最高比传统直流电机高30%，调速范围大，过载容量高，体积弹性大，转速弹性大，可设计成外转子电机，制动特性良好可以选用四象限运转，允许高频度快速启动而电机不发烫，通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造。

1.2 无刷电机的组成

无刷直流电机与有刷直流电机相似，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电枢绕组连接。在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换相装置。综上所述，无刷直流电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图1所示。

图1 无刷直流电机原理图

1）电机本体

电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。

2）转子位置传感器

转子位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。

3）电子换相线路

当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

1.3 基本工作原理

直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及工具逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中转子磁钢产生的永磁场。

2 直流无刷电机的优越性

无刷直流电动机用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置,保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能,同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等一系列缺点。无刷直流电动机还具有高能量密度,高转矩惯性比、高效率等特点,在快速性、可控性、可靠性、经济性等方面具有明显的优势,且制造和维修成本大大降低。其优越性体现在以下几个方面：

1）具有传统直流电机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

2）体积小、重量轻、出力大；

3）全面替代直流电机调速、全面替代变频器+变频电机调速、全面替代异步电机+减速机调速；

4）转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；

5）可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；

6）可以低速大功率运行，省去减速机直接驱动大的负载；

7）没有无线电干扰，不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；

8）软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；

9）无级调速，调速范围广，过载能力强；

10）耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长。

3 直流无刷电机的使用方向

1）办公自动化方面。计算机软、硬驱动器、光盘、驱动器、激光打印机、复印机、传真机鼓驱动等计算机外部设备及音像处置设备。这类设备要求驱动器电机具有稳速、调速、定位等功用，对低电磁搅扰和低噪声要求特别高。这类直流无刷电机属于精细型，尺寸小、加工精度高、产量大。

2）家用电器类产品方面。新一代电冰箱、空调器、吸尘器、洗衣机、电风扇、热水器等，运用直流无刷电机可完成多功能自动操作：准时、定温、自动调理，按软件顺序任务，提高了家电产品自动化水平。

3）电动车方面。我国是自行车大国，依照国家绿色环保政策和动力应用可持续开展方针，电动车将成为城镇和农村居民的消费热点，将超越国外的增长幅度，成为我国新的经济增长点。

4）工业自动化设备方面。当前，在数控缝纫机、彩扩机、高速食物搅拌机等普通的轻工机械中，一些要求精细节制速度和地位的设备大多采用无刷电机。此外，在数控机床、组合机床、自动纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械等方面，自动化生产流水线等各类专用设备随着市场竞争的加剧，采用高新技能配备成为紧迫的要求。采用直流无刷电机可满足这些机械设备的高效率、高精度、高功能的特殊要求。

5）医疗仪器和器械方面。在血液剖析仪、离心计、牙科器械、医护监控设备等设备中，常需要小尺寸、高牢靠、长寿命、低噪音、免维护的微型高速电机。

4 国内直流无刷电机的使用与发展前景

当前，我国直流无刷电机的开展正处于加快发展期。我国从上世纪七十年代开始就跟踪这项新技能，对电机活动节制系统中使用脉宽调制技能(PWM)，脉幅调制技能(PAM)和正弦宽调制技能(SPWM)进行了深刻的研究和理论，为直流无刷电机的开展提供了理论依据和技术基础。改革开放后，国外各大导体器件厂商抢滩中国市场，使国内以便宜的价格收购到当今世界上最先进的电机专用的大规模集成电路驱动器器件、大功率开关器件、高功能微处置器，MOSFET功率器件和IGB功率模块等，为推出功能优越、价格低廉的直流无刷电机提供了器件起源。

国内的家电行业，近年来不时推出装备直流无刷电机的电器产品，鼎力宣传其优良性和节能效果，就是国内直流无刷电机需求升温的标志。当前，国内研发和出产的直流无刷电机的种类和数目不是很多，首先是用于军事国防设备。近年来在空调器、冰箱、洗衣机、电动自行车、微型风机等产品上使用的，普通是输出功率不大的微型与特种直流无刷电机。在机械、纺织、印染、冶金、轻工等行业所需的与小型交流异步电机功率品级对应的直流无刷电机仍需要加以研究和发展。

面对目前能源紧张，环境污染，气候变暖，信息网络社会和机器人产业高速发展的时代，为满足人与自然的和谐共存，性能优良的直流无刷电机必将有很大的市场；同时磁性材料、电力电子技术、集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，为直流无刷电机的发展提供了基础。由于直流无刷电机具有高效率低能耗、高出力省材料、小型化轻重量和高性能高可靠等优点，已广泛使用于各个领域，其市场前景十分看好，必将成为未来电机发展的主流。

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