永磁无刷直流电机简介.docx

1 绪论1.1 无刷直流电动机是最具发展前途的机电一体化电机无刷直流电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电 子技术（包括电力电子、微电子技术）、控制理论和电机技术相结合的产物众所周知，直流电动机具有优越的调速性能，主要表现在控制性能好、调速范围宽、起 动转矩大、低速性能好、运行平稳、效率高，应用场合从工业到民用极其广泛在普通的直 流电动机中，直流电的电能是通过电刷和换向器进入电枢绕组，与定子磁场相互作用产生转 矩的由于存在电接触部件——电刷和换向器，结果产生了一系列致命的缺陷：⑴机械换向产生的换向火花引起换向器和电刷磨损、电磁干扰、噪声大，寿命短；⑵结构复杂，可靠性差，故障多，需要经常维护；⑶由于换向器存在，限制了转子转动惯量的进一步下降，影响了动态特性在许多应用场合下，它是系统不可靠的重要来源虽然直流电动机是电机发展历史上最 先出现的，但它的应用范围因此受到限制，使后来者且运行可靠的交流电机得到发展，取而 代之广泛应用交流电机的历史超过百年但是，无刷直流电动机历史只有几十年 1955 年美国 D.harrison 等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，这是无刷直流电动机的 雏形。

在1962年，T.G.Wilson和P.H.Trickey提出“固态换相直流电机”专利，这标志着现 代无刷电动机的真正诞生从20 世纪60 年代初开始，无刷直流电动机进入到应用阶段因 其较高的可靠性，无刷直流电动机最先在宇航技术中得到应用 1964 年，它被美国国家航 空航天局（NASA）使用，用于卫星姿态控制、太阳电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动等在1978年当时的联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部的MAC经典无刷直流电动机 及其驱动器在汉诺威贸易展览会正式推出，是电子换向的无刷直流电动机真正进入实用阶段 的标志国际上对无刷直流电动机进入深入的研究，从研制方波无刷电机基础上发展到正弦 无刷电机——新一代的永磁同步电动机（PMSM）随着永磁新材料、微电子技术、自动控 制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展 50 年来，它逐步推广到其他军事装备、工业、民用控制系统以及家庭电器领域中，现在已成为 最具发展前途的电机产品无刷直流电动机由电动机和电子驱动器两部分组成电动机部分的结构和经典的交流永 磁同步电动机相似，其定子上有多相绕组，转子上镶有永久磁场。

但由于运行原理的需要， 还需要有转子位置传感器转子位置传感器的作用是检测出转子磁场轴线的和定子相绕组轴 线的相对位置，决定每一时刻相绕组的通电状态，即决定电子驱动器的功率开关器件的通/ 断状态，接通/断开电动机相应的相绕组因此，无刷直流电动机本质上是由电子逆变器驱 动的有位置传感器反馈控制的交流同步电动机从另一角度看，无刷直流电动机可看成是一个定转子倒置的直流电动机普通直流电动 机的电枢绕组在转子上，永磁体则在定子上有刷直流电动机的所谓换向，实际上是其相绕 组的换向过程，它是借助于电刷和换向器来完成的而无刷直流电动机的相绕组的换相过程 则是借助于位置传感器和电子逆变器的功率开关来完成的无刷直流电动机以电子换相代替 了普通直流电动机的机械换向，从而提高了可靠性无刷直流电动机具有有刷直流电动机相 似的线性机械特性和线性转矩一电流特性,因而被称为无刷直流电动机（Brushless DC Motor） 或电子换相电动机（Electronically Commutated Motor）作为机电一体化电机产品，无刷直流电动机与配套的控制器是一个有机的整体，两者应当同步设计，才能确保最佳的性能和最佳的成本。

因此作为用户，最佳采购方式是电机供应 商和控制器供应商是来自同一家公司从制造商角度看，同时精通电机和电力电子控制两种 技术的公司取得成功的机会要高得多1.2 无刷直流电动机的技术优势与普通有刷直流电动机和感应电动机比较，无刷直流电动机的关键技术特征是：⑴经电子控制换相获得类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性、宽调速范围 ⑵需要转子位置反馈信息和电子多相逆变驱动器⑶本质上是交流电动机，由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可工作于高速，可 得到较高的可靠性，工作寿命长，无需经常维护⑷采用永磁产生气隙磁场，功率因数高，转子的损耗和发热低，有较高的效率；有资料 对比， 7.5kw 异步电动机效率为 86.4%，同容量的无刷直流电动机效率可达92.4%⑸必须有电子控制部分，所以总成本比有刷直流电动机高 尽管成本较高，但永磁无刷直流电动机性能有明显的优势，表 1-1 给出永磁无刷直流电 动机与永磁有刷直流电动机和交流感应电动机的比较近年，随着永磁材料和电力半导体器 件成本的降低，无刷直流电动机市场已不断扩展，在许多电机应用领域的竞争中，永磁无刷 直流电动机已经并正在不断地取代永磁有刷直流电动机和交流感应电动机，获得越来越广泛 的应用。

表 1-1 永磁无刷直流电动机与永磁有刷直流电动机和交流感应电动机的比较永磁无刷直流电动机永磁有刷直流电动机交流感应电动机定子多相绕组永磁多相绕组转子永磁绕组线绕组或笼型绕组转子位置传感器不需要不需要电滑动接触火花无，低EMC干扰换向器与电刷，EMC 干扰无，或可能有集电环EMC干扰较低高低可闻噪声较低高低电子控制器必需调速时需要调速时需要使用电源DCDCAC使用电压范围高，受功率器件耐压 限制较低，受换向器耐压 限制高机械特性接近线性线性非线性起动转矩倍数较咼较咼较低咼速范围冋，受转了离心力限 制低，受换向器离心力 限制冋，受转了离心力限 制效率高，转子几乎没有损 耗较低，换向器与电刷 摩擦损耗，电刷压降 损耗低，转子有损耗转子转动惯量较小，响应快速大较小功率密度高，定子绕组容易散执八、、较低，转子绕组不易 散执 nx 八、、较低，转子有损耗发 执八、、转矩波动大小小可控性好好差寿命和可靠性较咼，主要由轴承决 定低高安全性较咼低高维护不必经常维护需要定期清洁或换电 刷不必经常维护使用温度范围较低，受永磁材料限 制较低较咼成本高，必须有永磁材料 和控制器较咼，必须有永磁材 料和换向器低但应指出，无刷直流电动机也有不足之处，只要是：⑴需要电子控制器才能工作，增加了技术复杂性和制作成本；⑵需要位置传感器，增加了结构复杂性和成本，降低了可靠性；⑶转子永磁材料限制了电机使用环境温度，不适用于高温场合；⑷有较明显转矩波动，限制了电机在高性能伺服系统、低速度波纹系统中的应用。

1.3 21 世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪永磁无刷直流电动机按驱动电流方式可分为方波驱动和正弦波驱动，后者又称为同步型 永磁交流伺服电动机，主要用于伺服控制20世纪 80 年代才进入实用阶段的同步型永磁交 流伺服电动机是可与直流伺服电机性能匹敌的新型伺服电动机据国际电机会议专家分析， 交流伺服电动机正以每年 15%的速度取代直流伺服电动机，交流伺服电动机将会占据首位， 其前景是极其美好的因此， 21 世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪特别是 在小型电动机领域，无刷直流电动机将占据主导地位现在，由于市场需要的增长，面向3A （工业自动化、办公自动化、家居自动化），永磁 无刷直流电动机的功率覆盖范围早已突破电机功率界限，从毫瓦级到数十千瓦，主要应用领 域包括：1 在计算机外围设备、办公自动化设备、数码电子消费品中的应用 从数量上说，这是无刷直流电动机应用最多的领域，已占据了无可取代的地位例如在数字打印机、软盘驱动器、硬盘驱动器、CD-ROM和DVD-ROM等光盘驱动器、机、复 印机、磁带记录仪、电影摄影机和电唱机的主轴和附属运动的控制等单相无刷直流风机也在计算机外围设备和办公自动化设备以及其他自动化仪器设备中 获得广泛应用，大量挤占了原来交流风机的市场。

2 在工业驱动，伺服控制中的应用同步型永磁交流伺服电动机的伺服控制器部分，除开关器件脉宽调制功率电路外，还包 括专用集成电路或者微处理器对电机速度、电流环进行控制、进行各种失常情况的保护和故 障自诊断这种新型电机的典型应用，有火炮，雷达等军事装备控制，数控机床、组合机床 的伺服控制，机器人关节伺服控制等此外，同步型永磁交流伺服电动机在纺织机械、印刷机械、包装机械、冶金机械、邮政 机械、自动化流水生产线、各种专用设备中均有广泛的应用3 在汽车产业中的应用据美国市场调查分析，在每辆豪华轿车中，需永磁电机59个，一般轿车中也需20~30 个另一方面，汽车节能日渐受到重视，现代汽车要求所使用的电机改善性能和提高效率， 采用扁平盘式结构，以减小空间，提高出力，消除火花干扰，降低噪声，延长寿命，便于集 中控制，这正是无刷直流电动机的特长预计汽车用的有刷直流电动机将不断被永磁无刷直 流电动机所替代4 在医疗设备领域中的应用 例如，高速离心机，牙科和手术用高速器具红外激光调制器用作热像仪、测温仪器等 中都采用无刷直流电动机国外已有用于制作植入人体内的人工心脏驱动的小型血泵的无刷 直流电动机5 在家用电器中的应用 目前，以变频空调器、变频冰箱、变频洗衣机为代表的变频家用电器逐步进入消费市场。

而且变频家用电器正在由“交流变频”向俗称的“直流变频”转变，是明显的发展趋势此 外，在特殊环境条件下，如潮湿、真空、有害物质的场所，为提高系统的可靠性，采用无刷 直流电动机其中，军用和航天领域是无刷直流电动机最先得到应用的领域1.4 推动无刷直流电动机技术和市场蓬勃发展的主要因素永磁无刷直流电动机自身性能的明显优势，在许多竞争领域中，永磁无刷直流电动机已 不断地取代有刷直流电动机和感应电动机，并获得越来越广泛的应用新型的高性能永磁材料技术的进步、电力半导体器件和专用控制集成电路的进展、新控 制策略出现，促进永磁无刷直流电动机自身技术的进步各行各业对节能、调速控制要求日益迫切，特别是在工业驱动和家用电器驱动领域，节 能高效是环保要求，效能指标已逐步成为市场准入条件，甚至被接纳为国家标准、国际标准， 致使整机设计者不得不应用有较高效率的无刷直流电动机1.5 无刷直流电动机技术发展动向纵观近年世界无刷直流电动机技术发展，呈现下列发展动向：⑴产品向专用化、多样化发展⑵通过结构和工艺革新，以生产自动化、规模化，使产品向低成本、低价格方向发展 ⑶在电机设计方面，过去，无刷直流电动机大多采用整数槽设计。

近年，分数槽技术在 永磁无刷直流电动机的应用日益增多⑷性能更加优越的DSP （数字信号处理器）电机控制器的应用增多⑸无位置传感器控制技术逐步完善⑹正弦波控制方式更被关注1.6 小结早在 20世纪70 年代初开始，无刷直流电动机在我国一些国家研究所、个别高等院校、 军工单位开始跟踪这一新技术，开展了开发研究，当时主要解决宇航、导弹、卫星和其他军 用装备的急需到20 世纪80 年代，为工业用途，特别是数控机床、工业机器人开发研制永 磁同步伺服电动机及其伺服驱动器总的来说，它停留在数量少、成本高、市场窄的状态改革开放以来，出口和内需的带动，特别是三资企业的进入、民营企业飞速发展，我国 无刷直流电动机生产有了很大改观目前，在我国发展无刷直流电动机已有了较好的技术基 础和物质基础，存在国内外较大。