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產(chǎn)業(yè)用無(wú)刷直流電機(jī)
Brushless DC Motor in Industry Application唐山普林依托永磁電機(jī)有限公司 戴政耀
深圳依托普林電力電子有限公司 趙泉勇
Dai Zhengyao Zhao Quanyong
摘 要: 無(wú)刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性,同時(shí)也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國(guó)際通用名詞為BLDC.無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關(guān)注.本產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)超過(guò)55kW,可設(shè)計(jì)到400kW,可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)電與高性能驅(qū)動(dòng)的需求。
. 關(guān)鍵詞:無(wú)刷直流電機(jī) 永磁同步電機(jī) 直流變頻 釹鐵硼
Abstract: Brushless direct current motor has the same dc motor output characteristics, also
named BLDC. BLDC have higher output torque in low speed, higher efficiency and better
speed precision than any control modes of frequency converter drives. This chapter
introduce capacity up to 400kW for the industrial application.
Key words:Brushless direct current motor Permanent magnetic synchronous motor
BLDC NdFeB
[中圖分類號(hào)]TM921 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B 文章編號(hào) 1561-0330(2003)06-00
1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的學(xué)名叫“無(wú)換向器電機(jī)”或“無(wú)整流子電機(jī)”,是一種新型的無(wú)級(jí)變速電機(jī),它由一臺(tái)同步電機(jī)和一組逆變橋所組成,如圖1所示。它具有直流電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性,但是由於沒(méi)有換向器,因而可做成無(wú)接觸式,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,不需要經(jīng)常性維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是一種現(xiàn)想的變速電機(jī)。
在工作原理上有二種不同的工作方式：
(1)直流無(wú)刷電機(jī):又稱“無(wú)換向器電機(jī)交一直一交系統(tǒng)”或“直交系統(tǒng)”,如圖1所示。是將三相交流電源整流后變成直流，再由逆變器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電,但是,注意此處逆變器是工作在直流斬波方式。
(2)交流無(wú)刷電動(dòng)機(jī):它是利用交-交變頻器向同步機(jī)供給交流電。
（插圖1）
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步電機(jī),以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料;產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又解決了直流電機(jī)碳刷滑環(huán)的缺點(diǎn),數(shù)字式控制,是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)(參考下列美國(guó)能源部針對(duì)各種不同調(diào)速電機(jī)效率比較圖).
本產(chǎn)品具有高效率,高轉(zhuǎn)矩,高精度的三高特點(diǎn);同時(shí)具有體積小,重量輕,可作成各種體積形狀,是當(dāng)今最高效率的調(diào)速電機(jī),與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)比較,或與交流變頻調(diào)速比較均有更好的性能;在牽引電機(jī)電瓶車EV行業(yè),取代傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)時(shí)除可以達(dá)到更高效率,更高激活轉(zhuǎn)矩等特性外,由于采用方波驅(qū)動(dòng),讓鉛酸蓄電池有時(shí)間修補(bǔ)電極板,可以延長(zhǎng)蓄電池的壽命,提高約1.3倍的電池容量,綜合效率約可提高一倍左右的電池容量,大大的改善了電瓶車的性能.
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在先進(jìn)國(guó)家已大量應(yīng)用于軍事、信息業(yè)(IT)、辦公設(shè)備(OA)、家電業(yè)(HA)、DIY手動(dòng)工具、伺服系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、電瓶車、磁旋浮列車等;經(jīng)過(guò)本公司十多年的研究開(kāi)發(fā),目前生產(chǎn)容量已經(jīng)達(dá)75kW,設(shè)計(jì)容量可達(dá)315kW,可以滿足產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化及流體機(jī)械、空調(diào)機(jī)械的節(jié)電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用.
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有上述的三高特性,非常適合使用在24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)機(jī)械及空調(diào)冷凍主機(jī)、風(fēng)機(jī)水泵、空氣壓縮機(jī)負(fù)載;低速高轉(zhuǎn)矩及高頻繁正反轉(zhuǎn)不發(fā)熱的特性，更適合應(yīng)用于機(jī)床工作母機(jī)及牽引電機(jī)的驅(qū)動(dòng);其穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)精度比直流有刷電機(jī)更高,比矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制速度閉環(huán)的變頻驅(qū)動(dòng)還要高,性能價(jià)格比更好,是現(xiàn)代化調(diào)速驅(qū)動(dòng)的最佳選擇。
由于本產(chǎn)品具有彈性的尺寸及不同的電氣特性,除通用型G系列,高激活轉(zhuǎn)矩M系列外,每一種行業(yè)的應(yīng)用都不盡相同,因此用戶訂貨前必須提出電氣特性與機(jī)械尺寸的要求，圖2示士出永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)變頻變壓的機(jī)械特性比較。
圖2 機(jī)械特性比較圖
1 異步電動(dòng)機(jī)變頻變壓2 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）
注：BLDCM可在≤Mmax負(fù)載轉(zhuǎn)矩下起動(dòng)，可在MN≤M≤Mmax負(fù)載下短時(shí)運(yùn)行，可在≤MN下長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行。
美國(guó)能源部對(duì)各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率的比較，如圖3所示
圖3 美國(guó)能源部對(duì)各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率的比較
2-無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理
2.1 基本工作原理
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)
，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如圖4所示：
主電路是一個(gè)典型的電壓型交—直—交電路，逆變器提供等幅等寬5-26KHz調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。
永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差1200的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的6狀態(tài)編碼信號(hào)：101、100、110、010、011、001，通過(guò)邏輯組件處理產(chǎn)生T1—T4導(dǎo)通、T1—T6導(dǎo)通、T3—T6導(dǎo)通、T3—T2導(dǎo)通、T5—T2導(dǎo)通、T5—T4導(dǎo)通，也就是說(shuō)將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)N-S極，T1—T6功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)600電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于600電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)600電角度，如此循環(huán)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強(qiáng)制換向的，所以也稱作自控式同步電動(dòng)機(jī)。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖
2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場(chǎng)軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間就會(huì)產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。
由于定子磁場(chǎng)軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流—轉(zhuǎn)矩特性。
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流：
Tm=KtIav （N·m） (1)
電動(dòng)機(jī)兩相繞組反電勢(shì)的差正比于電動(dòng)機(jī)的角速度：
ELL=Keω （V） (2)
所以電動(dòng)機(jī)繞組中的平均電流為：
Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） (3)
其中，Vm=δ·VDC是加在電動(dòng)機(jī)線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調(diào)制波的占空比，Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：
Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動(dòng)機(jī)的角速度（rad/s），所以，在一定的ω時(shí)，改變占空比δ，就可以線性地改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。
當(dāng)Vc設(shè)定以后，無(wú)論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時(shí)，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會(huì)變大，電樞電流變大，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時(shí)，δ減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止�？梢哉f(shuō)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)范圍內(nèi)，在允許的過(guò)載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。
由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁來(lái)源于永磁體，所以不象異步機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無(wú)交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無(wú)銅耗又無(wú)鐵耗，所以效率比同容量異步電動(dòng)機(jī)高10%左右，一般來(lái)說(shuō)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的力能指針（ηcosθ）比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)高12%-20%。
2.3 與異步電動(dòng)機(jī)的比較
. 由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。
中小容量的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。
近30年來(lái)針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電流或電樞的端電壓，就是直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的物理量。過(guò)去，由于稀土永磁體價(jià)格比較高等因素，限制了稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價(jià)格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的售價(jià)已與異步電動(dòng)機(jī)和普通變頻器售價(jià)之和相差無(wú)幾。稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。
3稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用
電動(dòng)機(jī)的控制實(shí)際上是轉(zhuǎn)矩控制，電動(dòng)機(jī)的體積大小決定于轉(zhuǎn)矩的大小，所以選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，除了有關(guān)安裝方式，防護(hù)等級(jí)以外，莫不以負(fù)載轉(zhuǎn)矩—穩(wěn)態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩ΔTL為中心來(lái)考慮電動(dòng)機(jī)的選用。
(1)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM決定了電動(dòng)機(jī)的體積D2L
X TM=CMD2L
其中CM稱作電動(dòng)機(jī)常數(shù)，它和電動(dòng)機(jī)繞組絕緣等級(jí)、散熱條件等密切相關(guān)。
通常標(biāo)定的電動(dòng)機(jī)輸出功率PN是在額定轉(zhuǎn)速nN下連續(xù)輸出額定轉(zhuǎn)矩TN乘積關(guān)系，如果PN以（W）、T以（N·m）、nN以（r/min）表示，則
PN =0.1047TN·nN＝TN·ωN
ωN是電動(dòng)機(jī)的額定角速度， (rad/s)
所以，選用電動(dòng)機(jī)（特別是調(diào)速應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)）應(yīng)該說(shuō)：在XX-XX轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩TN是多少，或者說(shuō)：在最大工作轉(zhuǎn)速為XXr/min電動(dòng)機(jī)額定功率是多少。
對(duì)一個(gè)調(diào)速比為D=nmax/nmin恒轉(zhuǎn)矩TL運(yùn)行的調(diào)速電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它的輸出功率從Pmin=0.1047nminTL到Pmax=0.1047nmaxTL，如果D=100，則最大和最小輸出功率之比為100:1。對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速增加后鐵耗和風(fēng)摩耗近似以轉(zhuǎn)速的平方關(guān)系增加，所以輸入功率增加比例更大。
(2) 負(fù)載的最大
轉(zhuǎn)矩
負(fù)載的等效轉(zhuǎn)矩，Teq不得超過(guò)電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩，負(fù)載的最大轉(zhuǎn)矩不得超過(guò)電動(dòng)機(jī)的允許過(guò)載轉(zhuǎn)矩, 如圖5所示。
圖5 負(fù)載的等效轉(zhuǎn)矩
(3) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
減速比i是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nM和負(fù)載轉(zhuǎn)速nL之比，在不計(jì)減速機(jī)構(gòu)效率時(shí)，兩方功率平衡TM·nM= TL·nL，所以i= nM/nL，i= TL/TM，減速機(jī)構(gòu)相當(dāng)于放大了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，減小了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL’和電動(dòng)機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量JM之和是：JL’ + JM = JL/i2+JM ，如果負(fù)載質(zhì)量為m，以V為速度運(yùn)動(dòng)，則：
1/2mV2=1/2JLω2， JL=mV2/ω2
利用 JL’=JL/i2 , 得 JL’+JM=JL/i2+JM=J
(4) 減速比i的選擇
任何瞬時(shí)，以下方程都成立
TM=TL+Bω+J·dω/dt
其中TM是電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，TL是負(fù)載和庫(kù)侖轉(zhuǎn)矩之和，B是阻尼系數(shù)，J是系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，TL、B、J都是折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效資料，ω是電動(dòng)機(jī)的角速度。對(duì)于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J大的系統(tǒng)宜選擇大減速比i的減速機(jī)構(gòu)。對(duì)于要求加速快而J又顯著較大時(shí)，宜選用i=√JL/JM，就是選擇i，使負(fù)載折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL’等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM。過(guò)大的J·dω/dt容易引起負(fù)轉(zhuǎn)速波動(dòng)或震蕩，因此應(yīng)使ω緩變，避免ω突變；如果確需ω突變，則應(yīng)選用伺服型系統(tǒng)，而不應(yīng)選用任何一種類型的調(diào)速系統(tǒng)，如果J·dω/dt遠(yuǎn)大于TL、Bω，則在停機(jī)時(shí)，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)將在發(fā)電機(jī)狀態(tài)工作，在這種狀態(tài)下，直流母線電壓會(huì)急劇增長(zhǎng)，危及功率器件。為此需在直流母線上增加過(guò)壓放電電路或使指令電壓Vc緩變，使ωM逐漸降到安全角速度再切斷速度指令。否則，需另加制動(dòng)器以適應(yīng)快速停轉(zhuǎn)的需要。對(duì)于頻繁啟動(dòng)或正反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)也應(yīng)遵守軟啟動(dòng)、軟停止、再啟動(dòng)的原則，并且要核算等效電流Ieq
Ieq=√∑Ii2·ti/∑ti ≤IN
(5) 多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的高速同步旋轉(zhuǎn)
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)適應(yīng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)中高速同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速相差不超過(guò)1%。這時(shí)需多臺(tái)電動(dòng)機(jī)共享一個(gè)速度指令，對(duì)于多臺(tái)電動(dòng)機(jī)相距遠(yuǎn)時(shí)，需用V/f-f/V變換技術(shù)來(lái)傳遞速度指令，防止速度指令電平Vc在傳遞中因衰減不同而引起指令誤差。
(6) 恒張力（F）系統(tǒng)
恒張力（F）系統(tǒng)選用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為卷繞機(jī)構(gòu)動(dòng)力時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速
ηmax= ，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=F·Dmax/2，其中Dmin和Dmax對(duì)應(yīng)卷筒的最小和最大直徑（m），V是卷繞物的線速度（m/min），F(xiàn)為恒張力（N），最大轉(zhuǎn)矩Tmax（N·m），負(fù)載功率P=FV/60（W）。
4-無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)
*容量范圍大:標(biāo)準(zhǔn)品可達(dá)400kW,更大容量可以訂制.
*電壓種類多:直流供電,交流高低電壓均不受限制.
*低頻轉(zhuǎn)矩大:低速可以達(dá)到理論轉(zhuǎn)矩輸出,激活轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到兩倍或更高.
*高精度運(yùn)轉(zhuǎn):不超過(guò)1 rpm.(不受電壓變動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)影響).
*高效率:所有調(diào)速裝置中效率最高,比傳統(tǒng)直流電機(jī)高出5~30%.
*調(diào)速范圍:簡(jiǎn)易型/通用型(1:10),高精度型(1:100),伺服型.
*過(guò)載容量高:負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動(dòng)在200%以內(nèi)輸出轉(zhuǎn)速不變.
*體積彈性大:實(shí)際比異步電機(jī)尺寸小,可以做成各種形狀.
*可設(shè)計(jì)成外轉(zhuǎn)子電機(jī)(定子旋轉(zhuǎn)).
*轉(zhuǎn)速?gòu)椥源?可以幾10轉(zhuǎn)到106轉(zhuǎn).
*制動(dòng)特性良好,可以選用四象限運(yùn)轉(zhuǎn).
*可設(shè)計(jì)成全密閉型,IP-54,IP-65,防爆型等均可.
*允許高頻度快速激活,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.
5二種電機(jī)在不同控制方式下的比較二種電機(jī)在不同控制方式下的效率比較如圖5所示
圖5 二種電機(jī)在不同控制方式下的效率比較
6--依托無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)
圖6-依托無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外形圖
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有高效率,高精度,高轉(zhuǎn)矩三高特性,能夠輕松取代帶速反饋的進(jìn)口矢量控制變頻器(或直接轉(zhuǎn)矩控制),變頻電機(jī),直流有刷電機(jī)等;同時(shí)也可以取代不需高精度定位的伺服控制器,外形圖如圖6所示。是目前產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化與節(jié)電現(xiàn)代化的最重要驅(qū)動(dòng)裝置之一。.
無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)品規(guī)范
容量范圍: ~ 400 kW
極 數(shù):2 ~ 48 極
電 壓:直流電壓,電瓶電壓,單相,三相交流高低壓可選.
頻 率:50,60,400 Hz ,直流.
框 號(hào):標(biāo)準(zhǔn)品45~355M,非標(biāo)產(chǎn)品歡迎訂制.
保護(hù)方式:IP-44/IP-54
速度指令:電位器,0~5V,4~20mA,RS-485
加減速時(shí)間:0.1 ~ 120S
絕緣等級(jí):B級(jí)絕緣(F極可選)
控制方式:PWM (載波頻率2~18 K Hz)
最低轉(zhuǎn)速:通用型150rpm,高精度型可更低.
最高轉(zhuǎn)速:100 ~ 30,000 rpm可選.
轉(zhuǎn)速精度:±1 rpm/最高轉(zhuǎn)速
調(diào)速范圍:1:10,高精度型1:100.
最大轉(zhuǎn)矩:150%.
轉(zhuǎn)矩特性:恒轉(zhuǎn)矩輸出特性
激活轉(zhuǎn)矩:通用型:200%,電瓶車:400%,牽引電機(jī):600%.
制動(dòng)轉(zhuǎn)矩:20%以上,更高能力可選.
返饋裝置:三相霍爾(相差120°).高精度及伺服型用光碼盤.
基本功能:正反轉(zhuǎn),多段速度.
7--無(wú)刷直流電機(jī)與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)的比較
無(wú)刷直流電機(jī)因?yàn)闆](méi)有碳刷與換向器,所以沒(méi)有維修與保養(yǎng)的需要;由于采用永磁轉(zhuǎn)子,沒(méi)有激磁損耗的問(wèn)題,綜合效率高出10~20%左右(依據(jù)功率大小而定),低速轉(zhuǎn)矩更大,激活轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定3倍,轉(zhuǎn)速精度可達(dá)1/3000,不受電壓與負(fù)載變動(dòng)的影響.電機(jī)可以做成密閉型
或防塵防爆型等結(jié)構(gòu).因此能夠完全取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī),而且運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用更低,沒(méi)有保養(yǎng)維修的煩惱，無(wú)刷直流與有刷直流及歐盟CEMED標(biāo)準(zhǔn)的效率比較請(qǐng)參見(jiàn)圖7。.
圖7 各種直流電機(jī)效率比較圖
8 無(wú)刷直流電機(jī)與異步機(jī)加變頻器的比較
雖然當(dāng)今交流變頻調(diào)速非常普遍,但是變頻調(diào)速受限于異步電機(jī)的低效率,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩變小,諧波損耗大,速度變動(dòng)率大,動(dòng)態(tài)性能不佳等缺失;雖然采用速度死循環(huán)矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器時(shí)其可以滿足性能需要,但是購(gòu)置費(fèi)用偏高,而且異步電機(jī)的效率,功因,低速發(fā)熱仍然無(wú)法改善.
我們?cè)谧⑺軝C(jī)行業(yè)與變頻器節(jié)能改造作比較,無(wú)刷直流電機(jī)的綜合節(jié)電率比交流變頻要高出20%以上,注塑機(jī)沒(méi)有降低生產(chǎn)速度(變頻器降低約3%),電機(jī)溫升相差20℃.
在風(fēng)機(jī)水泵壓縮機(jī)的負(fù)載上應(yīng)用,功率--速度曲線實(shí)際上應(yīng)該達(dá)到三次方關(guān)系,但使用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)其曲線可能只有平方比例或稍差;采用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)其曲線可以接近三次方曲線特性,節(jié)電效果更好.
典型高效率異步電機(jī)及變頻器驅(qū)動(dòng)后的效率曲線圖如圖8所示
圖8 效率曲線比較圖
①BLDCM （無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)）
②高效率異步機(jī)
③一般異步機(jī)
④無(wú)刷直流電機(jī)控制器
⑤變頻器
參考文獻(xiàn)
[1]許大中.晶閘管無(wú)換向器電機(jī)[M].北京:科學(xué)出版社,1984
[2] 張琛. 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，
作者簡(jiǎn)介
戴政耀 男 臺(tái)灣普傳股份有限公司總經(jīng)理。畢業(yè)于臺(tái)灣明新技術(shù)學(xué)院電機(jī)工程科系,曾任職于臺(tái)灣東元電機(jī)股份有限公司重電業(yè)務(wù)部門,熟悉各種電機(jī)與變頻器產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù).
（待續(xù)）
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