張 燁

江蘇省海門市質(zhì)監(jiān)局質(zhì)檢所 226100

隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖調(diào)制控制的無(wú)刷直流電機(jī)已成為主流。隨著半導(dǎo)體工業(yè)，特別是大功率電子器件及微控制器的發(fā)展，變速驅(qū)動(dòng)變得更加現(xiàn)實(shí)且成本更低。

無(wú)刷直流電機(jī)集特種電機(jī)、變速結(jié)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體，形成新一代伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。無(wú)刷直流電機(jī)集交流電機(jī)和直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一體，它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，同時(shí)無(wú)勵(lì)磁損耗。無(wú)刷直流電機(jī)和其它電機(jī)相比具有高可靠性、高效率和優(yōu)良的調(diào)速性能等諸多優(yōu)越性，并且隨著新型稀土永磁材料性能的提高與價(jià)格的下降，帶來(lái)無(wú)刷直流電機(jī)成本的降低，這種優(yōu)越性將更加明顯。目前在工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家里，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的有刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)逐步被無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)所取代?，F(xiàn)在從國(guó)外進(jìn)口的設(shè)備中，已經(jīng)很少看到以有刷直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，一些國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)的相關(guān)公司經(jīng)不再大量生產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)用的有刷直流電動(dòng)機(jī)。

由此可見(jiàn)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相對(duì)于其它類型電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是一種新型電動(dòng)機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)，因此，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)本體及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)刷直流電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)

無(wú)刷直流電機(jī)具有許多顯著的特點(diǎn)，它的容量范圍大，電壓種類多，低頻轉(zhuǎn)矩大，高精度運(yùn)轉(zhuǎn)，效率最高比傳統(tǒng)直流電機(jī)高30%，調(diào)速范圍大，過(guò)載容量高，體積彈性大，轉(zhuǎn)速?gòu)椥源螅稍O(shè)計(jì)成外轉(zhuǎn)子電機(jī)，制動(dòng)特性良好可以選用四象限運(yùn)轉(zhuǎn)，允許高頻度快速啟動(dòng)而電機(jī)不發(fā)燙，通用型產(chǎn)品安裝尺寸與一般異步電機(jī)相同易于技術(shù)改造。

1.2 無(wú)刷電機(jī)的組成

無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)相似，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。這樣電子換相線路中的功率開(kāi)關(guān)器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電樞繞組連接。在電機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中的位置。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。綜上所述，無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體，轉(zhuǎn)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(wú)刷直流電機(jī)原理圖

1）電機(jī)本體

電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其他啟動(dòng)裝置。

2）轉(zhuǎn)子位置傳感器

轉(zhuǎn)子位置傳感器在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。

3）電子換相線路

當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各項(xiàng)繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。

1.3 基本工作原理

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換相，首先要求把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。所以直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動(dòng)機(jī)本體以外，還要由位置傳感器、控制電路以及工具邏輯開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置，使得直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁場(chǎng)。

2 直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)越性

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置,保留了有刷直流電動(dòng)機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能,同時(shí)又克服了有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來(lái)的噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等一系列缺點(diǎn)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)還具有高能量密度,高轉(zhuǎn)矩慣性比、高效率等特點(diǎn),在快速性、可控性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),且制造和維修成本大大降低。其優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)；

2）體積小、重量輕、出力大；

3）全面替代直流電機(jī)調(diào)速、全面替代變頻器+變頻電機(jī)調(diào)速、全面替代異步電機(jī)+減速機(jī)調(diào)速；

4）轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小；

5）可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，維修與保養(yǎng)簡(jiǎn)單；

6）可以低速大功率運(yùn)行，省去減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載；

7）沒(méi)有無(wú)線電干擾，不產(chǎn)生火花，特別適合爆炸性場(chǎng)所，有防爆型；

8）軟啟軟停、制動(dòng)特性好，可省去原有的機(jī)械制動(dòng)或電磁制動(dòng)裝置；

9）無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)；

10）耐顛簸震動(dòng)，噪音低，震動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，壽命長(zhǎng)。

3 直流無(wú)刷電機(jī)的使用方向

1）辦公自動(dòng)化方面。計(jì)算機(jī)軟、硬驅(qū)動(dòng)器、光盤、驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)鼓驅(qū)動(dòng)等計(jì)算機(jī)外部設(shè)備及音像處置設(shè)備。這類設(shè)備要求驅(qū)動(dòng)器電機(jī)具有穩(wěn)速、調(diào)速、定位等功用，對(duì)低電磁攪擾和低噪聲要求特別高。這類直流無(wú)刷電機(jī)屬于精細(xì)型，尺寸小、加工精度高、產(chǎn)量大。

2）家用電器類產(chǎn)品方面。新一代電冰箱、空調(diào)器、吸塵器、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、熱水器等，運(yùn)用直流無(wú)刷電機(jī)可完成多功能自動(dòng)操作：準(zhǔn)時(shí)、定溫、自動(dòng)調(diào)理，按軟件順序任務(wù)，提高了家電產(chǎn)品自動(dòng)化水平。

3）電動(dòng)車方面。我國(guó)是自行車大國(guó)，依照國(guó)家綠色環(huán)保政策和動(dòng)力應(yīng)用可持續(xù)開(kāi)展方針，電動(dòng)車將成為城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民的消費(fèi)熱點(diǎn)，將超越國(guó)外的增長(zhǎng)幅度，成為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

4）工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備方面。當(dāng)前，在數(shù)控縫紉機(jī)、彩擴(kuò)機(jī)、高速食物攪拌機(jī)等普通的輕工機(jī)械中，一些要求精細(xì)節(jié)制速度和地位的設(shè)備大多采用無(wú)刷電機(jī)。此外，在數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、自動(dòng)紡織、印刷、包裝、冶金、郵政機(jī)械等方面，自動(dòng)化生產(chǎn)流水線等各類專用設(shè)備隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，采用高新技能配備成為緊迫的要求。采用直流無(wú)刷電機(jī)可滿足這些機(jī)械設(shè)備的高效率、高精度、高功能的特殊要求。

5）醫(yī)療儀器和器械方面。在血液剖析儀、離心計(jì)、牙科器械、醫(yī)護(hù)監(jiān)控設(shè)備等設(shè)備中，常需要小尺寸、高牢靠、長(zhǎng)壽命、低噪音、免維護(hù)的微型高速電機(jī)。

4 國(guó)內(nèi)直流無(wú)刷電機(jī)的使用與發(fā)展前景

當(dāng)前，我國(guó)直流無(wú)刷電機(jī)的開(kāi)展正處于加快發(fā)展期。我國(guó)從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始就跟蹤這項(xiàng)新技能，對(duì)電機(jī)活動(dòng)節(jié)制系統(tǒng)中使用脈寬調(diào)制技能(PWM)，脈幅調(diào)制技能(PAM)和正弦寬調(diào)制技能(SPWM)進(jìn)行了深刻的研究和理論，為直流無(wú)刷電機(jī)的開(kāi)展提供了理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。改革開(kāi)放后，國(guó)外各大導(dǎo)體器件廠商搶灘中國(guó)市場(chǎng)，使國(guó)內(nèi)以便宜的價(jià)格收購(gòu)到當(dāng)今世界上最先進(jìn)的電機(jī)專用的大規(guī)模集成電路驅(qū)動(dòng)器器件、大功率開(kāi)關(guān)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(yōu)越、價(jià)格低廉的直流無(wú)刷電機(jī)提供了器件起源。

國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)，近年來(lái)不時(shí)推出裝備直流無(wú)刷電機(jī)的電器產(chǎn)品，鼎力宣傳其優(yōu)良性和節(jié)能效果，就是國(guó)內(nèi)直流無(wú)刷電機(jī)需求升溫的標(biāo)志。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)研發(fā)和出產(chǎn)的直流無(wú)刷電機(jī)的種類和數(shù)目不是很多，首先是用于軍事國(guó)防設(shè)備。近年來(lái)在空調(diào)器、冰箱、洗衣機(jī)、電動(dòng)自行車、微型風(fēng)機(jī)等產(chǎn)品上使用的，普通是輸出功率不大的微型與特種直流無(wú)刷電機(jī)。在機(jī)械、紡織、印染、冶金、輕工等行業(yè)所需的與小型交流異步電機(jī)功率品級(jí)對(duì)應(yīng)的直流無(wú)刷電機(jī)仍需要加以研究和發(fā)展。

面對(duì)目前能源緊張，環(huán)境污染，氣候變暖，信息網(wǎng)絡(luò)社會(huì)和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的時(shí)代，為滿足人與自然的和諧共存，性能優(yōu)良的直流無(wú)刷電機(jī)必將有很大的市場(chǎng)；同時(shí)磁性材料、電力電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。由于直流無(wú)刷電機(jī)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(yōu)點(diǎn)，已廣泛使用于各個(gè)領(lǐng)域，其市場(chǎng)前景十分看好，必將成為未來(lái)電機(jī)發(fā)展的主流。

[1]張琛.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 1996

[2]孫建忠.特種電機(jī)及其控制[M].中國(guó)水利水電出版社, 2005

[3]白浩.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究[M].合肥工業(yè)大學(xué)，2004

[3]盧小錦.無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2009