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(zhuǎn)效率,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關(guān)注.本產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)超過55kW,可設(shè)計到400kW,可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)電與高性能驅(qū)動的需求。
. 關(guān)鍵詞:無刷直流電機 永磁同步電機 直流變頻 釹鐵硼
Abstract: Brushless direct current motor has the same dc motor output characteristics, also
named BLDC. BLDC have higher output torque in low speed, higher efficiency and better
speed precision than any control modes of frequency converter drives. This chapter
introduce capacity up to 400kW for the industrial application.
Key words:Brushless direct current motor Permanent magnetic synchronous motor
BLDC NdFeB
[中圖分類號]TM921 [文獻標(biāo)識碼]B 文章編號 1561-0330(2003)06-00
1 無刷直流電動機簡介
無刷直流電動機的學(xué)名叫“無換向器電機”或“無整流子電機”,是一種新型的無級變速電機,它由一臺同步電機和一組逆變橋所組成,如圖1所示。它具有直流電機那樣良好的調(diào)速特性,但是由於沒有換向器,因而可做成無接觸式,具有結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,不需要經(jīng)常性維護等優(yōu)點,是一種現(xiàn)想的變速電機。
在工作原理上有二種不同的工作方式：
(1)直流無刷電機:又稱“無換向器電機交一直一交系統(tǒng)”或“直交系統(tǒng)”,如圖1所示。是將三相交流電源整流后變成直流〖資料來源:畢業(yè)設(shè)計論文網(wǎng) www.papersay.com〗再由逆變器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電,但是,注意此處逆變器是工作在直流斬波方式。
(2)交流無刷電動機:它是利用交-交變頻器向同步機供給交流電。
（插圖1）
無刷直流電動機Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步電機,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;產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機的所有優(yōu)點,同時又解決了直流電機碳刷滑環(huán)的缺點,數(shù)字式控制,是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(參考下列美國能源部針對各種不同調(diào)速電機效率比較圖).
本產(chǎn)品具有高效率,高轉(zhuǎn)矩,高精度的三高特點;同時具有體積小,重量輕,可作成各種體積形狀,是當(dāng)今最高效率的調(diào)速電機,與傳統(tǒng)直流有刷電機比較,或與交流變頻調(diào)速比較均有更好的性能;在牽引電機電瓶車EV行業(yè),取代傳統(tǒng)直流有刷電機時除可以達到更高效率,更高激活轉(zhuǎn)矩等特性外,由于采用方波驅(qū)動,讓鉛酸蓄電池有時間修補電極板,可以延長蓄電池的壽命,提高約1.3倍的電池容量,綜合效率約可提高一倍左右的電池容量,大大的改善了電瓶車的性能.
無刷直流電動機在先進國家已大量應(yīng)用于軍事、信息業(yè)(IT)、辦公設(shè)備(OA)、家電業(yè)(HA)、DIY手動工具、伺服系統(tǒng)、電動汽車、電瓶車、磁旋浮列車等;經(jīng)過本公司十多年的研究開發(fā),目前生產(chǎn)容量已經(jīng)達75kW,設(shè)計容量可達315kW,可以滿足產(chǎn)業(yè)自動化及流體機械、空調(diào)機械的節(jié)電驅(qū)動應(yīng)用.
無刷直流電動機具有上述的三高特性,非常適合使用在24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)機械及空調(diào)冷凍主機、風(fēng)機水泵、空氣壓縮機負(fù)載;低速高轉(zhuǎn)矩及高頻繁正反轉(zhuǎn)不發(fā)熱的特性，更適合應(yīng)用于機床工作母機及牽引電機的驅(qū)動;其穩(wěn)速運轉(zhuǎn)精度比直流有刷電機更高,比矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制速度閉環(huán)的變頻驅(qū)動還要高,性能價格比更好,是現(xiàn)代化調(diào)速驅(qū)動的最佳選擇。
由于本產(chǎn)品具有彈性的尺寸及不同的電氣特性,除通用型G系列,高激活轉(zhuǎn)矩M系列外,每一種行業(yè)的應(yīng)用都不盡相同,因此用戶訂貨前必須提出電氣特性與機械尺寸的要求，圖2示士出永磁無刷直流電動機與異步電動機變頻變壓的機械特性比較。
圖2 機械特性比較圖
1 異步電動機變頻變壓2 永磁無刷直流電動機（BLDCM）
注：BLDCM可在≤Mmax負(fù)載轉(zhuǎn)矩下起動，可在MN≤M≤Mmax負(fù)載下短時運行，可在≤MN下長時運行。
美國能源部對各種驅(qū)動電機效率的比較，如圖3所示
圖3 美國能源部對各種驅(qū)動電機效率的比較
2-無刷直流電動機的工作原理
2.1 基本工作原理
無刷直流電動機由同步電動機和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。同步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。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動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(zhuǎn)信號，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，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。
無刷直流電動機的原理簡圖如圖4所示：
主電路是一個典型的電壓型交—直—交電路，逆變器提供等幅等寬5-26KHz調(diào)制波的對稱交變矩形波。
永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差1200的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的6狀態(tài)編碼信號：1
01、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1—T4導(dǎo)通、T1—T6導(dǎo)通、T3—T6導(dǎo)通、T3—T2導(dǎo)通、T5—T2導(dǎo)通、T5—T4導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1—T6功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動600電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(dāng)于600電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進600電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因為無刷直流電動機的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。
無刷直流電動機的工作原理簡圖
2.2 無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩
無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。
由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機的電流—轉(zhuǎn)矩特性。
電動機的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流：
Tm=KtIav （N·m） (1)
電動機兩相繞組反電勢的差正比于電動機的角速度：
ELL=Keω （V） (2)
所以電動機繞組中的平均電流為：
Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） (3)
其中，Vm=δ·VDC是加在電動機線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調(diào)制波的占空比，Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩：
Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動機的角速度（rad/s），所以，在一定的ω時，改變占空比δ，就可以線性地改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵直流電動機電樞電壓控制相同的控制特性和機械特性。
無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實現(xiàn)了變速設(shè)定。
當(dāng)Vc設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會變大，電樞電流變大，使電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機的實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機實際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時，δ減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，無刷直流電動機在允許的電網(wǎng)波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運行。
由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高10%左右，一般來說，無刷直流電動機的力能指針（ηcosθ）比同容量三相異步電動機高12%-20%。
2.3 與異步電動機的比較
. 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(diào)速下重載啟動的同步電動機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。
中小容量的無刷直流電動機的永磁體，現(xiàn)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30年來針對異步電動機變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的方法，而無刷直流電動機的電流或電樞的端電壓，就是直接控制電動機轉(zhuǎn)矩的物理量。過去，由于稀土永磁體價格比較高等因素，限制了稀土永磁無刷直流電動機的應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列無刷直流電動機的售價已與異步電動機和普通變頻器售價之和相差無幾。稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。
3稀土永磁無刷直流電動機的應(yīng)用
電動機的控制實際上是轉(zhuǎn)矩控制，電動機的體積大小決定于轉(zhuǎn)矩的大小，所以選用電動機時，除了有關(guān)安裝方式，防護等級以外，莫不以負(fù)載轉(zhuǎn)矩—穩(wěn)態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和擾動轉(zhuǎn)矩ΔTL為中心來考慮電動機的選用。
(1)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TM決定了電動機的體積D2L
X TM=CMD2L
其中CM稱作電動機常數(shù)，它和電動機繞組絕緣等級、散熱條件等密切相關(guān)。
通常標(biāo)定的電動機輸出功率PN是在額定轉(zhuǎn)速nN下連續(xù)輸出額定轉(zhuǎn)矩TN乘積關(guān)系，如果PN以（W）、T以（N·m）、nN以（r/min）表示，則
PN =0.1047TN·nN＝TN·ωN
ωN是電動機的額定角速度， (rad/s)
所以，選用電動機（特別是調(diào)速應(yīng)用的電動機）應(yīng)該說：在XX-XX轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電動機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩TN是多少，或者說：在最大工作轉(zhuǎn)速為XXr/min電動機額定功率是多少。
對一個調(diào)速比為D=nmax/nmin恒轉(zhuǎn)矩TL運行的調(diào)速電動機來說，它的輸出功率從Pmin=0.1047nminTL到Pmax=0.1047nmaxTL，如果D=100，則最大和最小輸出功率之比為100:1。對于無刷直流電動機來說，轉(zhuǎn)速增加后鐵耗和風(fēng)摩耗近似以轉(zhuǎn)速的平方關(guān)系增加，所以輸入功率增加比例更大。
(2) 負(fù)載的最大轉(zhuǎn)矩
負(fù)載的等效轉(zhuǎn)矩，Teq不得超過電動機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩，負(fù)載的最大轉(zhuǎn)矩不得超過電動機的允許過載轉(zhuǎn)矩, 如圖5所示。
圖5 負(fù)載的等效轉(zhuǎn)矩
(3) 轉(zhuǎn)動慣量
減速比i是電動機轉(zhuǎn)速nM和負(fù)載轉(zhuǎn)速nL之比，在不計減速機構(gòu)效率時，兩方功率平衡TM·nM= TL
·nL，所以i= nM/nL，i= TL/TM，減速機構(gòu)相當(dāng)于放大了電動機的轉(zhuǎn)矩，減小了電動機轉(zhuǎn)速。負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量JL折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量JL’和電動機自身轉(zhuǎn)動的慣量JM之和是：JL’ + JM = JL/i2+JM ，如果負(fù)載質(zhì)量為m，以V為速度運動，則：
1/2mV2=1/2JLω2， JL=mV2/ω2
利用 JL’=JL/i2 , 得 JL’+JM=JL/i2+JM=J
(4) 減速比i的選擇
任何瞬時，以下方程都成立
TM=TL+Bω+J·dω/dt
其中TM是電動機輸出轉(zhuǎn)矩，TL是負(fù)載和庫侖轉(zhuǎn)矩之和，B是阻尼系數(shù)，J是系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，TL、B、J都是折算到電動機軸上的等效資料，ω是電動機的角速度。對于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J大的系統(tǒng)宜選擇大減速比i的減速機構(gòu)。對于要求加速快而J又顯著較大時，宜選用i=√JL/JM，就是選擇i，使負(fù)載折算轉(zhuǎn)動慣量JL’等于電動機轉(zhuǎn)動慣量JM。過大的J·dω/dt容易引起負(fù)轉(zhuǎn)速波動或震蕩，因此應(yīng)使ω緩變，避免ω突變；如果確需ω突變，則應(yīng)選用伺服型系統(tǒng)，而不應(yīng)選用任何一種類型的調(diào)速系統(tǒng)，如果J·dω/dt遠(yuǎn)大于TL、Bω，則在停機時，無刷電動機將在發(fā)電機狀態(tài)工作，在這種狀態(tài)下，直流母線電壓會急劇增長，危及功率器件。為此需在直流母線上增加過壓放電電路或使指令電壓Vc緩變，使ωM逐漸降到安全角速度再切斷速度指令。否則，需另加制動器以適應(yīng)快速停轉(zhuǎn)的需要。對于頻繁啟動或正反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)也應(yīng)遵守軟啟動、軟停止、再啟動的原則，并且要核算等效電流Ieq
Ieq=√∑Ii2·ti/∑ti ≤IN
(5) 多臺電動機的高速同步旋轉(zhuǎn)
無刷直流電動機適應(yīng)多臺電動機中高速同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速相差不超過1%。這時需多臺電動機共享一個速度指令，對于多臺電動機相距遠(yuǎn)時，需用V/f-f/V變換技術(shù)來傳遞速度指令，防止速度指令電平Vc在傳遞中因衰減不同而引起指令誤差。
(6) 恒張力（F）系統(tǒng)
恒張力（F）系統(tǒng)選用無刷直流電動機作為卷繞機構(gòu)動力時，電動機的最高轉(zhuǎn)速
ηmax= ，電動機的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=F·Dmax/2，其中Dmin和Dmax對應(yīng)卷筒的最小和最大直徑（m），V是卷繞物的線速度（m/min），F(xiàn)為恒張力（N），最大轉(zhuǎn)矩Tmax（N·m），負(fù)載功率P=FV/60（W）。
4-無刷直流電動機特點
*容量范圍大:標(biāo)準(zhǔn)品可達400kW,更大容量可以訂制.
*電壓種類多:直流供電,交流高低電壓均不受限制.
*低頻轉(zhuǎn)矩大:低速可以達到理論轉(zhuǎn)矩輸出,激活轉(zhuǎn)矩可以達到兩倍或更高.
*高精度運轉(zhuǎn):不超過1 rpm.(不受電壓變動或負(fù)載變動影響).
*高效率:所有調(diào)速裝置中效率最高,比傳統(tǒng)直流電機高出5~30%.
*調(diào)速范圍:簡易型/通用型(1:10),高精度型(1:100),伺服型.
*過載容量高:負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動在200%以內(nèi)輸出轉(zhuǎn)速不變.
*體積彈性大:實際比異步電機尺寸小,可以做成各種形狀.
*可設(shè)計成外轉(zhuǎn)子電機(定子旋轉(zhuǎn)).
*轉(zhuǎn)速彈性大:可以幾10轉(zhuǎn)到106轉(zhuǎn).
*制動特性良好,可以選用四象限運轉(zhuǎn).
*可設(shè)計成全密閉型,IP-54,IP-65,防爆型等均可.
*允許高頻度快速激活,電機不發(fā)燙.
*通用型產(chǎn)品安裝尺寸與一般異步電機相同,易于技術(shù)改造.
5二種電機在不同控制方式下的比較二種電機在不同控制方式下的效率比較如圖5所示
圖5 二種電機在不同控制方式下的效率比較
6--依托無刷直流電動機
圖6-依托無刷直流電動機的外形圖
無刷直流電動機具有高效率,高精度,高轉(zhuǎn)矩三高特性,能夠輕松取代帶速反饋的進口矢量控制變頻器(或直接轉(zhuǎn)矩控制),變頻電機,直流有刷電機等;同時也可以取代不需高精度定位的伺服控制器,外形圖如圖6所示。是目前產(chǎn)業(yè)自動化與節(jié)電現(xiàn)代化的最重要驅(qū)動裝置之一。.
無刷直流電機產(chǎn)品規(guī)范
容量范圍: ~ 400 kW
極 數(shù):2 ~ 48 極
電 壓:直流電壓,電瓶電壓,單相,三相交流高低壓可選.
頻 率:50,60,400 Hz ,直流.
框 號:標(biāo)準(zhǔn)品45~355M,非標(biāo)產(chǎn)品歡迎訂制.
保護方式:IP-44/IP-54
速度指令:電位器,0~5V,4~20mA,RS-485
加減速時間:0.1 ~ 120S
絕緣等級:B級絕緣(F極可選)
控制方式:PWM (載波頻率2~18 K Hz)
最低轉(zhuǎn)速:通用型150rpm,高精度型可更低.
最高轉(zhuǎn)速:100 ~ 30,000 rpm可選.
轉(zhuǎn)速精度:±1 rpm/最高轉(zhuǎn)速
調(diào)速范圍:1:10,高精度型1:100.
最大轉(zhuǎn)矩:150%.
轉(zhuǎn)矩特性:恒轉(zhuǎn)矩輸出特性
激活轉(zhuǎn)矩:通用型:200%,電瓶車:400%,牽引電機:600%.
制動轉(zhuǎn)矩:20%以上,更高能力可選.
返饋裝置:三相霍爾(相差120°).高精度及伺服型用光碼盤.
基本功能:正反轉(zhuǎn),多段速度.
7--無刷直流電機與傳統(tǒng)直流有刷電機的比較
無刷直流電機因為沒有碳刷與換向器,所以沒有維修與保養(yǎng)的需要;由于采用永磁轉(zhuǎn)子,沒有激磁損耗的問題,綜合效率高出10~20%左右(依據(jù)功率大小而定),低速轉(zhuǎn)矩更大,激活轉(zhuǎn)矩可達額定3倍,轉(zhuǎn)速精度可達1/3000,不受電壓與負(fù)載變動的影響.電機可以做成密閉型或防塵防爆型等結(jié)構(gòu).因此能夠完全取代傳統(tǒng)有刷直流電機,而且運轉(zhuǎn)費用更低,沒有保養(yǎng)維修的煩惱，無刷直流與有刷直流及歐盟CEMED標(biāo)準(zhǔn)的效率比較請參見圖7。.
圖7 各種直流電機效率比較圖
8 無刷直流電機與異步機加變頻器的比較
雖然當(dāng)今交流變頻調(diào)速非常普遍,但是變頻調(diào)速受限于異步電機的低效率,電機運轉(zhuǎn)在
低速時轉(zhuǎn)矩變小,諧波損耗大,速度變動率大,動態(tài)性能不佳等缺失;雖然采用速度死循環(huán)矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器時其可以滿足性能需要,但是購置費用偏高,而且異步電機的效率,功因,低速發(fā)熱仍然無法改善.
我們在注塑機行業(yè)與變頻器節(jié)能改造作比較,無刷直流電機的綜合節(jié)電率比交流變頻要高出20%以上,注塑機沒有降低生產(chǎn)速度(變頻器降低約3%),電機溫升相差20℃.
在風(fēng)機水泵壓縮機的負(fù)載上應(yīng)用,功率--速度曲線實際上應(yīng)該達到三次方關(guān)系,但使用變頻器驅(qū)動異步電機其曲線可能只有平方比例或稍差;采用無刷直流電機驅(qū)動其曲線可以接近三次方曲線特性,節(jié)電效果更好.
典型高效率異步電機及變頻器驅(qū)動后的效率曲線圖如圖8所示
圖8 效率曲線比較圖
①BLDCM （無刷直流電動機）
②高效率異步機
③一般異步機
④無刷直流電機控制器
⑤變頻器
參考文獻
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熱門產(chǎn)品：高效電機 高壓電機 低壓電機 變頻電機 防爆電機 同步電機 直流電機 電機配件 電機維修 水泵配件 電機節(jié)能改造
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