直流无刷永磁电机介绍与分析

1、无刷直流电动机技术发展动向 (2010-08-12)一、无刷直流电机的技术特征经电子控制获得类似直流电动机的运行特征，有较好的可控性，宽调速范围；需要转子位置反馈信息和电子多相逆变驱动器；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；功率因数高，转子无损耗和发热，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%。必须有电子控制部分，总成本比直流电机高。尽管成本较高，由于永磁无刷直流电动机性能有明显的优势，近年，无刷直流电动机市场已不断扩展，在许多领域的竞争中，永磁无刷直流电动机已经并正在不断地取代直流电动机和异步电动机机，获得越来越多的应用。永磁无刷直流电动机按驱动电流方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。80年代才进入实用阶段的同步型永磁伺服电动机是可与直流伺服电机性能匹敌的新型伺服电机。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。

2、因此，国际上有电机专家断言，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。二、推动无刷直流电动:p1、高性能永磁材料技术进展的促进现代无刷直流电动机都是以永磁激励的，因此，永磁材料的进步对电动机影响很大。过去的铝镍钴永磁已逐步被铁氧体永磁、稀土类永磁所取代。特别是80年代高磁能积的钕铁硼永磁的出现和改进，极大地推动永磁电机的发展。它有高的性价比，随着其性能的提高和应用问题的解决，特别是价格的下降，迅速在无刷直流电动机得到大量应用。使无刷直流电动机在减小体积重量，提高功率密度，改善性能方面有了明显的进展。钕铁硼永磁使无齿槽结构的无刷直流电动机能够实现，它具有消除齿槽效应、低转矩波动、低噪声、运行平稳、低电磁干扰等特点。粘结型、注塑型铁氧体永磁和钕铁硼永磁近年出现，使无刷直流电动机在兼顾不同价格、性能层次等方面有更多的选择。2、半导体功率器件进展的促进无刷直流电动机的原理构思早已提出，但只有到了20世纪60年代半导体器件出现才使无刷直流电动机进入实用阶段。电力电子技术为电机控制驱动器主电路提供最重要的功率半导体器件。随着半导体器件的迅

3、猛发展，从小功率晶体管，到大功率晶体管GTR，MOSFET、IGBT等新型开关器件，以及功率开关器件控制驱动技术的进展，特别是近年崭新的功率模块、智能功率模块（IPM）的出现，完全改变了无刷直流电动机驱动器的面貌，减小了驱动器件体积重量，提高了运行可靠性和改善了可控性，更大大地扩大了无刷直流电动机的功率和速度范围。3、专用控制集成电路进展的促进随着微电子技术的发展，各国半导体厂商不断地推出无刷直流电动机专用控制集成电路，解决了电机和电子电路结合问题，也有利于控制器的小型化和可靠性的提高，特别是随着专用控制集成电路的批量生产，价格大幅度下降，解决了妨碍无刷直流电动机向民用领域发展的高价格问题，使无刷直流电动机的应用更方便、更容易推广普及。随着电动机应用技术越来越复杂，系统设计者正在通过利用电动机控制集成电路寻求一切工作的简化。使用电动机控制集成化的一个重要因素是使应用者容易获得最佳的硬件?软件解决方案，人们可用最少的开发时间，就能迅速将其最终产品推向市场销售。各国电子元件制造商瞄准无刷直流电动机这一巨大市场，十分重视无刷直流电动机专用控制集成电路芯片的开发和生产，如美国的国家半导体公司、

4、摩托罗拉公司、德州仪器公司、仙童公司、无线电公司，日本的东芝公司、三洋公司、松下公司、日立公司、三菱公司，还有德国、英国、法国、荷兰、意大利等国家的公司等。另外，各行各业对节能、调整控制要求日益迫切，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，使有较高效率的无刷直流电动机被整机设计者采纳和应用。三、无刷直流电动机技术发展动向1、产品向专用化、多样化方向发展设计制造各种特殊结构、特定用途的无刷直流电动机，在设计、结构和工艺新技术方面有不断的革新，以适应不同整机市场的需求。例如：适应不同性能参数的永磁材料，瓦型、环型表面粘接结构和各种不同设计嵌入式内磁体结构等新的转子磁路结构出现。出现各种外转子、轴向气隙（平面电机）、无齿槽结构电机等。无论是采用铁氧体永磁或稀土永磁的永磁无刷直流电动机，常见的永磁转子结构是表面粘贴式（SPM）。近年，日本各知名家电厂商在新一代变频空调压缩机的永磁无刷直流电动机中，分别采用了各自的专利转子结构，嵌入式永磁（IPM）转子结构已成为主流。IPM转子结构的电动机可得到较高的效率，增强转子抗

5、高速离心力能力。2、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、低价格方向发展由于电子换相电路的成本高于机械换向器，因而使无刷直流电动机的成本及售价增加，无刷直流电动机的价格是限制其应用扩展到民用产品领域的主要国素。针对国内外汽车行业、家电行业及办公自动化领域对低成本无刷直流电动机需求量越来越大的现状，所研制的新型永磁无刷直流电动机，以便适用于工业控制特别是各类民用产品的领域。结构和工艺革新的例子：分割型定子铁芯结构和连续绕线工艺方法的采用。对于节距y=1分数槽设计，用专用绕线机直接绕制定子线圈，对于外转子结构的电机比较方便；但对于内转子结构的电机，特别是定子内径小的小功率电机；就要困难得多了。为此，一些分割型定子铁芯结构的构思提出来了。这种分割型定子铁芯结构工艺技术使永磁无刷直流电动机生产实现高效率、大批量、自动化，日本有多家厂商效法，推出自己专利的定子铁芯分割方案。这一技术已开始引起国内个别厂家关注，并进行探索试验。目前，在IT领域，例如软盘、硬盘、光盘驱动器、DVD、CD主轴驱动器使用的无刷直流电动机由于市场竞争、大规模生产，价格已经相当低了。3、电机设计方面，过去

6、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。无刷直流电动机采用分数槽技术有如下一些好处：对于多极的无刷电动机可采用较少的定子槽数，有利于槽满率的提高，进而提高电动机性能；同时，较少数目的元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本。增加绕组的短（长）距和分布效应，改善反电势波形的正弦性。有可能得到线圈节距=y=1的设计（集中绕组），每个线圈只绕在一个齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减低用铜量；各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘。有可能使用专用绕线机，直接将线圈绕在齿上，取低传统嵌线工艺，提高工效。提高电动机性能。槽满率的提高，线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短，使电动机绕组电阻减小。铜损随之也减低，进而提高电动机效率和降低温升。降低齿槽反应转矩，有利于减少振动和噪声。总之，分数槽技术的应用有利于无刷电动机的节能、节材、小型化、轻量化、省工、生产自动化，从而可降低产品成本，增强产品竞争力。4、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就系统的控制器而言，因运动控制系统是快速系统，特别是高流电机高性能的控制需要实时快速处理多

7、种信号，为进一步提高控制系统的综合性能，近几年国外一些大公司纷纷推出较MCU（单片微控制器）性能更加优越的DSF（数字信号处理器）单片电机控制器，如ADI的ADMC3xx系列，TI的TMS320C24系统及M0tomla的DSP56F8xx系列。都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。现DSP的最大速度可达2040MIPS以上，指令执行时间或完成一次动作的时间快达几十纳秒，它和普通的MCU相比，运算及处理能力增加1050倍，确保系统有更大优越的控制性能。5、无位置传感器控制技术逐步完善按照无刷直流电动机工作原理，必须要有转子磁极位置信号为决定电子开关的换相。目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）方法来得到这些信号。它有必须占用电机一些空间、安装位置对准、需较多引出线、影响可靠性等缺点。在某些场合，如压缩机内有高温高压环境，不允许安放霍尔元件。为此，80年代以来，微机控制技术的快速进展，出现了各种称为无位置传感器控制技术方法，是当代无刷直流电动机控制研究热点之一。它从电子电路以及软

8、件方法获得转子磁极位置信号，实现电子换相。在诸多方法中，以反电势法较成功。它检测不激励相绕组的反电势过零点，经过运算后，决定换相时刻。这也是硬件软件化的一个成功例子。6、正弦波控制方式更被关注如前所述，无刷直流电动机的电子换相控制模式分为两大类；方波驱动和正弦波驱动。就其位置传感器和控制电路而言，方波驱动相对简单、价廉而得到广泛应用，是目前绝大多数无刷直流电动机的驱动方式；正弦波驱动需要高分辨率位置传感器，如旋转变压器、光电编码器，控制电路相对复杂，成本较高。正弦波驱动是借助高分辨率位置传感器作用，以强制提供正弦波相电流为特征的无刷直流电动机电子换相方法。与方波驱动相比，它具有低转矩波动、平滑的运动、小的可闻噪声、容易利用领先角技术实现弱磁控制、拓宽调速范围等优点。过去主要用于军用、工业用较高要求的伺服系统。高速MCU和DSP控制器的普及应用和价格大幅度降低，使性能优异的正弦波电流控制方式在价格方面的限制得到缓解，更受关注。例如，西门子公司早期开发的1FT5系列方波电流控制方式的无刷直流电动机现在已经停止生产，代之以正弦波电流控制方式的1FT6系列。近年出现的新一代或称简易位置传感器正

9、弦波换相控制技术，不需要高分辨位置传感器，特别是支持这种控制技术的新一代无刷直流电动机正弦波控制芯片的问世，大大促进无刷直流电动机控制正弦化趋向的形成。使它们在计算机外围设备、办公自动化设备、甚至是家用电器的小功率无刷直流电动机驱动控制中开始得到应用。这种控制芯片的例子是：ST Mieroelectronics公司的L7250电动机驱动微控制器，朗讯（Lucent Tech nologies Microelectronies Group）2001年研制出的高端硬磁盘驱动器（HDD）、电动机控制器集成电路VC2010和VC2100，Toshiba的TMP88CS43可编程电动机驱动微控制器等。无刷直流电动机在计算机外围设备、办公自动化设备、白色和黑色家用电器应用日益增多，人们对它们的噪声要求也越来越苛刻。无传感器或只需简易位置传感器，以低转矩波劝、平滑运动，小可闻噪声、成本适中而见长的新一代正弦化无刷直流电动机及其驱动器将得到越来越广泛的应用，有良好的发展前景。四、结束语早在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，停留在数量少、成本高、市场窄的状态。改革开放以来，出口和内需的牵动，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，存在国内外较大市场需求，随着国际经济一体化趋势的到来，我国的无刷直流电动机产业充满发展机会。

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