直流無刷電機 -無刷直流電機意義

    實用性新型無刷電機是與電子技術、微電子技術、數字技術、自控技術以及材料科學等發(fā)展緊密聯(lián)系的。它不僅限于交直流領域，還涉及電動、發(fā)電的能量轉換和信號傳感等領域。在電機領域中新型無刷電機的品種是較多的，但性能優(yōu)良的無刷電機因受到價格的限制，其應用還不十分廣泛。下面分別就主要的新型無刷電機進行探索與研究。 直流無刷電動機

    直流無刷電動機與一般直流電動機具有相同的工作原理和應用特性，而其組成是不一樣的。除了電機本身外，前者還多一個換向電路，電機本身和換向電路緊密結合在一起。許多小功率電動機的電機本身是與換向電路合成一體，從外觀上看直流無刷電動機與直流電動機完全一樣。 

    直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉換部分，它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外，還帶有傳感器。電機本身是直流無刷電機的核心，它不僅關系到性能指標、噪聲振動、可靠性和使用壽命等，還涉及制造費用及產品成本。由于采用永磁磁場，使直流無刷電機擺脫一般直流電機的傳統(tǒng)設計和結構，滿足各種應用市場的要求，并向著省銅節(jié)材、制造簡便的方向發(fā)展。永磁磁場的發(fā)展與永磁材料的應用密切相關，第三代永磁材料的應用，促使直流無刷電機向高效率、小型化、節(jié)能方向邁進。 

    為了實現電子換向必須有位置信號來控制電路。早期用機電位置傳感器獲得位置信號，現已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號，最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。 

    要實現電機轉速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單的速度傳感器是測頻式測速發(fā)電機與電子線路相結合。 

    直流無刷電機的換向電路由驅動及控制兩部分組成，這兩部分是不容易分開的，尤其小功率用電路往往將兩者集成化成為單一專用集成電路。 

    在功率較大的電機中，驅動電路和控制電路可各自成為一體。驅動電路輸出電功率，驅動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅動電路已從線性放大狀態(tài)轉成脈寬調制的開關狀態(tài)，相應電路組成也從晶體管分立電路轉成模塊化集成電路。模塊化集成電路有功率雙極晶體管、功率場效應管和隔離柵場效應雙極晶體管等組成形式。雖然，隔離柵場效應雙極晶體管價格較貴，但從可靠安全和性能角度看，選用它還是較合適的。 

    控制電路用作控制電機的轉速、轉向、電流(或轉矩)以及保護電機的過流、過壓、過熱等。上述參數容易轉成模擬信號，用此來控制較簡單，但從發(fā)展來看，電機的參數應轉換成數字量，通過數字式控制電路來控制電機。當前，控制電路有專用集成電路、微處理器和數字信號處理器等三種組成方式。在對電機控制要求不高的場合，專用集成電路組成控制電路是簡單實用的方式。采用數字信號處理器組成控制電路是今后發(fā)展方向，有關數字信號處理器將在下面交流同步伺服電動機中介紹。 

    目前，在微小功率范疇直流無刷電動機是發(fā)展較快的新型電機。由于各個應用領域需要各自獨特的直流無刷電動機，所以直流無刷電動機的類型較多。大體上有計算機外存儲器以及VCD、DVD、CD主軸驅動用扁平式無鐵心電機結構，小型通風機用外轉子電機結構，家電用多極磁場結構及內裝式結構，電動自行車用多極、外轉子結構等等。上述直流無刷電動機的電機本身和電路均成一體，使用十分方便，它的產量也非常大。為了滿足大批量、低成本的市場需要，直流無刷電動機的生產必須要形成規(guī)模經濟。因此，直流無刷電動機是一種高投入、高產出的行業(yè)。同時，我們應該考慮到市場也在不斷地發(fā)展，如家用空調用電機正由3A轉向3D，需要大量的中小功率的直流無刷直流電動機，研究和開發(fā)中小功率的直流無刷電動機也成當務之急。 

    無刷直流電機（BLDCM）是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展來的，但它的驅動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地，無刷電機的驅動電流有兩種，一種是梯形波（一般是“方波”），另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流伺服電機，確切地講是交流伺服電動機的一種。 

    無刷直流電機為了減少轉動慣量，通常采用“細長”的結構。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應的轉動慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在100kW以下。 

    這種電動機的機械特性和調節(jié)特性的線性度好，調速范圍廣，壽命長，維護方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。 

    電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。

    由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會象變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。 

    中小容量的無刷直流電動機的永磁體，現在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。 

    近三十年來針對異步電動機變頻調速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉速誤差小等特點在調速領域顯現優(yōu)勢。 

    無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性,同時也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機的運轉效率,低速轉矩,轉速精度等都比任何控制技術的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關注.本產品已經生產超過55kW,可設計到400kW,可以解決產業(yè)界節(jié)電與高性能驅動的需求。

    無刷電機有什么特點？

    優(yōu)點： 

    a) 電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍，代表了電動車的發(fā)展方向； 

    b) 屬靜態(tài)電機，空載電流??； 

    c) 效率高； 

    d) 體積小。 

    缺點： 

    a) 低速起動時有輕微振動，如速度加大換相頻率增大，就感覺不到振動現象了； 

    b) 價格高，控制器要求高； 

    c) 易形成共振，因為任何一件東西都有一個固有振動頻率，如果無刷電機的振動頻率與車架或塑料件的振動頻率相同或接近時就容易形成共振現象，但可以通過調整將共振現象減小到最小程度。所以采用無刷電機驅動的電動車有時會發(fā)出一種嗡嗡的聲音是一種正常的現象。 

    d) 腳踏騎行時較費力，最好是電力驅動與腳踏助力相結合。 

    有刷電機優(yōu)缺點？

    優(yōu)點： 

    a) 變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動； 

    b) 溫升低，可靠性好； 

    c) 價格低，所以被較多廠家選用。 

    缺點： 

    a) 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短； 

    b) 運行電流大，電機磁鋼易退磁，降低了電機與電池的作用壽命。