一、無刷電機(jī)概述

　　無刷電機(jī)是指無換向器（或集電環(huán)）和電刷的電機(jī)，又稱無換向器電機(jī)。目前主要應(yīng)用的無刷電機(jī)主要是指無刷直流電機(jī)和交流同步伺服電機(jī)（永磁同步電機(jī)）。因?yàn)槠湓胍舻停瑝勖L(zhǎng)等特點(diǎn)而廣泛使用。

二、無刷電機(jī)特點(diǎn)

無刷直流電機(jī)

　　無刷直流電機(jī)英文簡(jiǎn)稱BLDC。無刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)不同的是，無刷直流電機(jī)不使用機(jī)械的電刷裝置，采用方波自控式永磁同步電機(jī)，以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料，性能上比一般的傳統(tǒng)直流電機(jī)要好，是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。

　　直流無刷電機(jī)的本質(zhì)為采用直流電源輸入，并用逆變器變?yōu)槿嘟涣麟娫矗瑤恢梅答伒挠来磐诫姍C(jī)。

　　無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。

交流同步伺服電機(jī)(永磁同步電機(jī))

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)的組成部分：定子、永久磁鋼轉(zhuǎn)子、位置傳感器、電子換向開關(guān)等。

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，主要用于要求響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬、定位準(zhǔn)確的高性能伺服傳動(dòng)系統(tǒng)和直流電機(jī)的更新替代電機(jī)。

　　通常所說的永磁同步電動(dòng)機(jī)是正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)，同一般同步電動(dòng)機(jī)一樣，正弦波PMSM的定子繞組通常采用三相對(duì)稱的正弦分布繞組，或轉(zhuǎn)子采用特殊形狀的永磁體以確保氣隙磁密沿空間呈正弦分布。這樣，當(dāng)電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)，定子三相繞組所感應(yīng)的電勢(shì)則為正弦波，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)由此而得名。

　　正弦波PMSM是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)。它不僅包括電機(jī)本身，而且還涉及位置傳感器、電力電子變流器以及驅(qū)動(dòng)電路等。

　　內(nèi)置式永磁同步電機(jī)無位置傳感器（interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM）矢量控制系統(tǒng),通過將滑模觀測(cè)器和高頻電壓信號(hào)注入法相結(jié)合,在無位置傳感器IPMSM閉環(huán)矢量控制方式下平穩(wěn)啟動(dòng)運(yùn)行，并能在低速和高速運(yùn)行場(chǎng)合獲得較準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置觀察信息。

永磁直流無刷電機(jī)

三、無刷電機(jī)應(yīng)用

無刷直流電機(jī)

　　無刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等。總的來說，無刷直流電機(jī)可以分為以下三種主要用途：

1、持續(xù)負(fù)載應(yīng)用

　　主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機(jī)、吹風(fēng)機(jī)等一類的應(yīng)用，這類應(yīng)用成本較低且多為開環(huán)控制。

2、可變負(fù)載應(yīng)用

　　主要是轉(zhuǎn)速需要在某個(gè)范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機(jī)和壓縮機(jī)就是很好的例子，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等，這類應(yīng)用的系統(tǒng)成本相對(duì)更高些。

3、定位應(yīng)用

　　大多數(shù)工業(yè)控制和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用屬于這個(gè)類別，這類應(yīng)用中往往會(huì)完成能量的輸送，所以對(duì)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對(duì)控制器的要求也較高。測(cè)速時(shí)可能會(huì)用上光電和一些同步設(shè)備。過程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制等很多都屬于這類應(yīng)用。

　　實(shí)用性新型無刷電機(jī)是與電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)以及材料科學(xué)等發(fā)展緊密聯(lián)系的。它不僅限于交直流領(lǐng)域，還涉及電動(dòng)、發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳感等領(lǐng)域。在電機(jī)領(lǐng)域中新型無刷電機(jī)的品種是較多的，但性能優(yōu)良的無刷電機(jī)因受到價(jià)格的限制，其應(yīng)用還不十分廣泛。下面分別就主要的新型無刷電機(jī)進(jìn)行探索與研究。

永磁同步電機(jī)

按照不同的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)又分為定速驅(qū)動(dòng)、調(diào)速驅(qū)動(dòng)和精密控制驅(qū)動(dòng)三類。

1、 定速驅(qū)動(dòng)

　　工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通機(jī)床等。對(duì)這類機(jī)械以往大多采用三相或單相異步電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢靠，維修方便，很適合該類機(jī)械的驅(qū)動(dòng)。但是，異步電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機(jī)使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費(fèi)了。其次，工農(nóng)業(yè)中大量使用的風(fēng)機(jī)、水泵往往亦需要調(diào)節(jié)其流量，通常是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、閥來完成的，這其中又浪費(fèi)了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵中異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)它們的流量，取得可觀的節(jié)能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動(dòng)機(jī)本身的低效率依然存在。

2、 調(diào)速驅(qū)動(dòng)

　　有相當(dāng)多的工作機(jī)械，其運(yùn)行速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用。

　　交流永磁同步電動(dòng)機(jī)由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來越引起人們重視，其控制技術(shù)日趨成熟，控制器已產(chǎn)品化。中小功率的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速正逐步為永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所取代。電梯驅(qū)動(dòng)就是一個(gè)典型的例子。電梯的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的加速、穩(wěn)速、制動(dòng)、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是不言而喻的。70年代變頻技術(shù)發(fā)展成熟，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)迅速取代了電梯行業(yè)中的直流調(diào)速系統(tǒng)。而這幾年電梯行業(yè)中最新驅(qū)動(dòng)技術(shù)就是永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其體積小、節(jié)能、控制性能好、又容易做成低速直接驅(qū)動(dòng)，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒適性都優(yōu)于以前的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，適合在無機(jī)房電梯中使用。永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很快得到各大電梯公司青睞，與其配套的專用變頻器系列產(chǎn)品已有多種牌號(hào)上市。可以預(yù)見，在調(diào)速驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，將會(huì)是永磁同步電動(dòng)機(jī)的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品相配的變頻控制器，功率從0.4kW～300kW,體積比同容量異步電動(dòng)機(jī)小1～2個(gè)機(jī)座號(hào)，力能指標(biāo)明顯高于異步電動(dòng)機(jī)，可用于泵、運(yùn)輸機(jī)械、攪拌機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、升降機(jī)、起重機(jī)等多種場(chǎng)合。

3、 精密控制驅(qū)動(dòng)

① 高精度的伺服控制系統(tǒng)

　　伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的運(yùn)行控制中扮演了十分重要的角色，應(yīng)用場(chǎng)合的不同對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能要求也不盡相同。實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動(dòng)機(jī)有各種不同的控制方式，例如轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)也經(jīng)歷了直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，直至近年來最為引人注目的永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。最近幾年進(jìn)口的各類自動(dòng)化設(shè)備、自動(dòng)加工裝置和機(jī)器人等絕大多數(shù)都采用永磁同步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)。

② 信息技術(shù)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)

　　當(dāng)今信息技術(shù)高度發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公自動(dòng)化設(shè)備也隨之高度發(fā)展，與其配套的關(guān)鍵部件微電機(jī)需求量大，精度和性能要求也越來越高。對(duì)這類微電機(jī)的要求是小型化、薄形化、高速、長(zhǎng)壽命、高可靠、低噪聲和低振動(dòng)，精度要求更是特別高。例如，硬盤驅(qū)動(dòng)器用主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)是永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，它以近10000rpm的高速帶動(dòng)盤片旋轉(zhuǎn)，盤片上執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫功能的磁頭在離盤片表面只有0.1～0.3微米處作懸浮運(yùn)動(dòng)，其精度要求之高可想而知了。信息技術(shù)中各種設(shè)備如打印機(jī)、軟硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等中所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)絕大多數(shù)是永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。受技術(shù)水平限制，這類微電機(jī)目前國(guó)內(nèi)還不能自己制造，有部分產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)組裝。

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