1、艾克干手器即采用无刷直流电机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：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，
2、寿命短；结构复杂，可靠性差，故障多，需要经常维护；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
3、 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
4、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艾克干手器即采用无刷直流电机逆变器驱动的有位
5、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
6、 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：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。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
7、寿命长，无需经常维护。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%。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
8、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 多相绕组艾克干手器即采用无刷直流电机转子 永磁 绕组 线绕组或笼型绕组转子位置传感器 需要 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 DC DC AC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 较高 较高 较低高速范围 高，受转子离心力限制低，受换向器离心力限制高，受转子
9、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，定子绕组容易散热较低，转子绕组不易散热较低，转子有损耗发热转矩波动 大 小 小可控性 好 好 差寿命和可靠性 较高，主要由轴承决定低 高安全性 较高 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艾克干手器即采用无刷直流电机使用温度范围 较低，受永磁材料限制较低 较高成本 高，必须有永磁材料和控制器较高，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：需要电子控制器才能工作，增加了技术复杂性和制作成本；需要位置传感器，增
10、加了结构复杂性和成本，降低了可靠性；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；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
11、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、传真机、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
12、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艾克干手器即采用无刷直流电机和故障自诊断。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
13、轿车中也需 2030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
14、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
15、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：艾克干手器即采用无刷直流电机产品向专用化、多样化发展。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。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。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。无位置传感器控制技术逐步完善。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，存在国内外较大市场需求，随着世界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，前景一片光明。
