產(chǎn)業(yè)用無刷直流電機(jī)

1、產(chǎn)業(yè)用無刷直流電機(jī) 摘要:無刷直流電機(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,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機(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:無刷直流電機(jī)永磁同步電機(jī)直流變頻釹鐵硼Abstract:Brushlessdirectcurrentmotorhasthesamedcmotoroutputcharacteristics,alsonamedBLDC.BLDChavehigheroutputtorqueinlow

2、speed,higherefficiencyandbetterspeedprecisionthananycontrolmodesoffrequencyconverterdrives.Thischapterintroducecapacityupto400kWfortheindustrialapplication.Keywords:BrushlessdirectcurrentmotorPermanentmagneticsynchronousmotorBLDCNdFeB中圖分類號TM921文獻(xiàn)標(biāo)識碼B文章編號1561-0330(2003)06-001無刷直流電動(dòng)機(jī)簡介無刷直流電動(dòng)機(jī)的學(xué)名叫“無換向器

3、電機(jī)”或“無整流子電機(jī)”,是一種新型的無級變速電機(jī),它由一臺同步電機(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,但是由於沒有換向器,因而可做成無接觸式,具有結(jié)構(gòu)簡單,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)直流無刷電機(jī):又稱“無換向器電機(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）無刷直流電動(dòng)機(jī)BrushlessDirectCurrentM

4、otor,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)(參考下列美國能源部針對各種不同調(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,可以延長蓄電池的壽命,提

5、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.無刷直流電動(dòng)機(jī)在先進(jìn)國家已大量應(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)過本公司十多年的研究開發(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,

6、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MNMMmax負(fù)載下短時(shí)運(yùn)行，可在MN下長時(shí)運(yùn)行。美國能源部對各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率的比較，如圖3所示圖3美國能源部對各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率的比較2-無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理2.1基

7、本工作原理無刷直流電動(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，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和正反轉(zhuǎn)信號，用來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，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理簡圖如圖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

8、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)信號產(chǎn)生有效的6狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1T4導(dǎo)通、T1T6導(dǎo)通、T3T6導(dǎo)通、T3T2導(dǎo)通、T5T2導(dǎo)通、T5T4導(dǎo)通，也就是說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)過一對N-S極，T1T6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)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)600電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于600電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置

9、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)生的磁場軸再前進(jìn)600電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動(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)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理簡圖2.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o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軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，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

10、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（Nm）(1)電動(dòng)機(jī)兩相繞組反電勢的差正比于電動(dòng)機(jī)的角速度：ELL=Ke（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=VDC是加在電動(dòng)機(jī)線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，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=（VDCKt/2Ra）-Kt（Ke/2Ra）Kt、Ke是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，為電動(dòng)機(jī)的角速度（rad/s），所以，在一定的時(shí)，改變占空比，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

11、電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。無刷直流電動(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對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc（max）nmax，那么，+5V以下任何電平即對應(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)制波的占空比就會變大，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)，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，無刷直流電動(dòng)機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)范圍內(nèi)，在允許的過載能

12、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。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁來源于永磁體，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)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動(dòng)機(jī)高10%左右，一般來說，無刷直流電動(dòng)機(jī)的力能指針（cos）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.由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會象變頻調(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，也不會在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動(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，稀土永磁無刷電

13、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。近30年來針對異步電動(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)之和相差無幾。稀土永磁無刷直流電動(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。3稀土永磁無刷直流電動(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TL為中心來考慮電動(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D2LXTM=CMD2L其中CM稱作電動(dòng)機(jī)