一、無(wú)刷電機概述

　　無(wú)刷電機是指無(wú)換向器（或集電環(huán)）和電刷的電機，又稱(chēng)無(wú)換向器電機。目前主要應用的無(wú)刷電機主要是指無(wú)刷直流電機和交流同步伺服電機（永磁同步電機）。因為其噪音低，壽命長(cháng)等特點(diǎn)而廣泛使用。

二、無(wú)刷電機特點(diǎn)

無(wú)刷直流電機

　　無(wú)刷直流電機英文簡(jiǎn)稱(chēng)BLDC。無(wú)刷直流電機與有刷直流電機不同的是，無(wú)刷直流電機不使用機械的電刷裝置，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，以釹鐵硼作為轉子的永磁材料，性能上比一般的傳統直流電機要好，是當今最理想的調速電機。

　　直流無(wú)刷電機的本質(zhì)為采用直流電源輸入，并用逆變器變?yōu)槿嘟涣麟娫?，帶位置反饋的永磁同步電機。

　　無(wú)刷直流電機由電動(dòng)機主體和驅動(dòng)器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 電動(dòng)機的定子繞組多做成三相對稱(chēng)星形接法，同三相異步電動(dòng)機十分相似。電動(dòng)機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動(dòng)機轉子的極性，在電動(dòng)機內裝有位置傳感器。驅動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動(dòng)機的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號，以控制電動(dòng)機的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來(lái)控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。

交流同步伺服電機(永磁同步電機)

　　永磁同步電動(dòng)機的組成部分：定子、永久磁鋼轉子、位置傳感器、電子換向開(kāi)關(guān)等。

　　永磁同步電動(dòng)機具有結構簡(jiǎn)單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數高等優(yōu)點(diǎn)，主要用于要求響應快速、調速范圍寬、定位準確的高性能伺服傳動(dòng)系統和直流電機的更新替代電機。

　　通常所說(shuō)的永磁同步電動(dòng)機是正弦波永磁同步電動(dòng)機，同一般同步電動(dòng)機一樣，正弦波PMSM的定子繞組通常采用三相對稱(chēng)的正弦分布繞組，或轉子采用特殊形狀的永磁體以確保氣隙磁密沿空間呈正弦分布。這樣，當電動(dòng)機恒速運行時(shí)，定子三相繞組所感應的電勢則為正弦波，正弦波永磁同步電動(dòng)機由此而得名。

　　正弦波PMSM是一種典型的機電一體化電機。它不僅包括電機本身，而且還涉及位置傳感器、電力電子變流器以及驅動(dòng)電路等。

　　內置式永磁同步電機無(wú)位置傳感器（interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM）矢量控制系統,通過(guò)將滑模觀(guān)測器和高頻電壓信號注入法相結合,在無(wú)位置傳感器IPMSM閉環(huán)矢量控制方式下平穩啟動(dòng)運行，并能在低速和高速運行場(chǎng)合獲得較準確的轉子位置觀(guān)察信息。

永磁直流無(wú)刷電機

三、無(wú)刷電機應用

無(wú)刷直流電機

　　無(wú)刷直流電機的應用十分廣泛，如汽車(chē)、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等?？偟膩?lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電機可以分為以下三種主要用途：

1、持續負載應用

　　主要是需要一定轉速但是對轉速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機、吹風(fēng)機等一類(lèi)的應用，這類(lèi)應用成本較低且多為開(kāi)環(huán)控制。

2、可變負載應用

　　主要是轉速需要在某個(gè)范圍內變化的應用，對電機轉速特性和動(dòng)態(tài)響應時(shí)間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機和壓縮機就是很好的例子，汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動(dòng)機控制等，這類(lèi)應用的系統成本相對更高些。

3、定位應用

　　大多數工業(yè)控制和自動(dòng)控制方面的應用屬于這個(gè)類(lèi)別，這類(lèi)應用中往往會(huì )完成能量的輸送，所以對轉速的動(dòng)態(tài)響應和轉矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時(shí)可能會(huì )用上光電和一些同步設備。過(guò)程控制、機械控制和運輸控制等很多都屬于這類(lèi)應用。

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

永磁同步電機

按照不同的工農業(yè)生產(chǎn)機械的要求，電機驅動(dòng)又分為定速驅動(dòng)、調速驅動(dòng)和精密控制驅動(dòng)三類(lèi)。

1、 定速驅動(dòng)

　　工農業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機械要求連續地以大致不變的速度單方向運行，例如風(fēng)機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類(lèi)機械以往大多采用三相或單相異步電動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)。異步電動(dòng)機成本較低，結構簡(jiǎn)單牢靠，維修方便，很適合該類(lèi)機械的驅動(dòng)。但是，異步電動(dòng)機效率、功率因數低、損耗大，而該類(lèi)電機使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農業(yè)中大量使用的風(fēng)機、水泵往往亦需要調節其流量，通常是通過(guò)調節風(fēng)門(mén)、閥來(lái)完成的，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調節風(fēng)機、水泵中異步電動(dòng)機轉速來(lái)調節它們的流量，取得可觀(guān)的節能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動(dòng)機本身的低效率依然存在。

2、 調速驅動(dòng)

　　有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調節，但速度控制精度要求并不非常高。這類(lèi)驅動(dòng)系統在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車(chē)輛中有大量應用。

　　交流永磁同步電動(dòng)機由于其體積小、重量輕、高效節能等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越引起人們重視，其控制技術(shù)日趨成熟，控制器已產(chǎn)品化。中小功率的異步電動(dòng)機變頻調速正逐步為永磁同步電動(dòng)機調速系統所取代。電梯驅動(dòng)就是一個(gè)典型的例子。電梯的驅動(dòng)系統對電機的加速、穩速、制動(dòng)、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動(dòng)機調速系統，其缺點(diǎn)是不言而喻的。70年代變頻技術(shù)發(fā)展成熟，異步電動(dòng)機的變頻調速驅動(dòng)迅速取代了電梯行業(yè)中的直流調速系統。而這幾年電梯行業(yè)中最新驅動(dòng)技術(shù)就是永磁同步電動(dòng)機調速系統，其體積小、節能、控制性能好、又容易做成低速直接驅動(dòng)，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒適性都優(yōu)于以前的驅動(dòng)系統，適合在無(wú)機房電梯中使用。永磁同步電動(dòng)機驅動(dòng)系統很快得到各大電梯公司青睞，與其配套的專(zhuān)用變頻器系列產(chǎn)品已有多種牌號上市?？梢灶A見(jiàn)，在調速驅動(dòng)的場(chǎng)合，將會(huì )是永磁同步電動(dòng)機的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步電動(dòng)機產(chǎn)品相配的變頻控制器，功率從0.4kW～300kW,體積比同容量異步電動(dòng)機小1～2個(gè)機座號，力能指標明顯高于異步電動(dòng)機，可用于泵、運輸機械、攪拌機、卷?yè)P機、升降機、起重機等多種場(chǎng)合。

3、 精密控制驅動(dòng)

① 高精度的伺服控制系統

　　伺服電動(dòng)機在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的運行控制中扮演了十分重要的角色，應用場(chǎng)合的不同對伺服電動(dòng)機的控制性能要求也不盡相同。實(shí)際應用中，伺服電動(dòng)機有各種不同的控制方式，例如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動(dòng)機系統也經(jīng)歷了直流伺服系統、交流伺服系統、步進(jìn)電機驅動(dòng)系統，直至近年來(lái)最為引人注目的永磁電動(dòng)機交流伺服系統。最近幾年進(jìn)口的各類(lèi)自動(dòng)化設備、自動(dòng)加工裝置和機器人等絕大多數都采用永磁同步電動(dòng)機的交流伺服系統。

② 信息技術(shù)中的永磁同步電動(dòng)機

　　當今信息技術(shù)高度發(fā)展，各種計算機外設和辦公自動(dòng)化設備也隨之高度發(fā)展，與其配套的關(guān)鍵部件微電機需求量大，精度和性能要求也越來(lái)越高。對這類(lèi)微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長(cháng)壽命、高可靠、低噪聲和低振動(dòng)，精度要求更是特別高。例如，硬盤(pán)驅動(dòng)器用主軸驅動(dòng)電機是永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機，它以近10000rpm的高速帶動(dòng)盤(pán)片旋轉，盤(pán)片上執行數據讀寫(xiě)功能的磁頭在離盤(pán)片表面只有0.1～0.3微米處作懸浮運動(dòng)，其精度要求之高可想而知了。信息技術(shù)中各種設備如打印機、軟硬盤(pán)驅動(dòng)器、光盤(pán)驅動(dòng)、傳真機、復印機等中所使用的驅動(dòng)電機絕大多數是永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機。受技術(shù)水平限制，這類(lèi)微電機目前國內還不能自己制造，有部分產(chǎn)品在國內組裝。

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