BLDC電機(jī)優(yōu)越性

1、節(jié)能減排電機(jī)的選擇-直流無(wú)刷電機(jī)Orientalmotor樂(lè)方R這東方馬達(dá)中國(guó)總公司朱華摘要：當(dāng)今的國(guó)內(nèi)工控業(yè)界人士，對(duì)于馬達(dá)通常有這樣一種觀點(diǎn)：低端馬達(dá)使用AC異步交流電機(jī)，高端馬達(dá)采用伺服電機(jī)。實(shí)際上國(guó)內(nèi)的馬達(dá)應(yīng)用存在一種跳級(jí)現(xiàn)象，即從AC異步交流電機(jī)直接跳到了伺服電機(jī)，而中間的直流無(wú)刷電機(jī)往往被人們忽略掉。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BLDCo直流無(wú)刷電機(jī)的特有的高效率、低發(fā)熱等特性和優(yōu)點(diǎn)，正切合了國(guó)家的節(jié)能減排的要求。通過(guò)與其他電機(jī)的一些比較，我們可以更加直觀的看出這些特性，進(jìn)而方便工程師在選用電機(jī)的時(shí)候選擇最適合的電

2、機(jī)而不是最貴的電機(jī)。關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)節(jié)能減排伺服電機(jī)AGV1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展演變及在國(guó)內(nèi)工控業(yè)界的應(yīng)用現(xiàn)狀在國(guó)外，電機(jī)大致沿著AC交流異步電機(jī)一-直流無(wú)刷電機(jī)一-步進(jìn)電機(jī)一-伺服電機(jī)這樣的演變流程在發(fā)展。因此對(duì)于各種電機(jī)的特性，國(guó)外的工程師往往比較了解，電機(jī)的采用主要根據(jù)最適合現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇。我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化，在改革開(kāi)放后飛速發(fā)展起來(lái)。在90年代，伺服電機(jī)就已經(jīng)被引入國(guó)內(nèi)，廣大的工控人士得以直接接觸到了電機(jī)的最高端類型伺服電機(jī)。而在改革開(kāi)發(fā)之前，我國(guó)工控業(yè)界馬達(dá)使用類型較為單一，絕大部分的工程師都只知道和使用AC交流異步電機(jī)。中間類型的步進(jìn)電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)還沒(méi)有來(lái)得及接觸就應(yīng)用到了

3、伺服電機(jī)，馬達(dá)的中間類型存在著一定的真空段，我們稱這種現(xiàn)象叫做跳級(jí)。而實(shí)際應(yīng)用中，很多場(chǎng)合使用直流無(wú)刷電機(jī)不僅成本下降較多，而且效果還不錯(cuò)，控制也相對(duì)伺服電機(jī)簡(jiǎn)單。提到直流無(wú)刷電機(jī)，那么就不得不提直流有刷電機(jī)。這里的“刷”實(shí)際上就是指“碳刷”，最早的直流電機(jī)都是帶有“碳刷”的。碳刷是直流有刷電機(jī)中的關(guān)鍵性部件，主要起到電流的換向作用。然而其缺點(diǎn)也是較為突出：碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉，因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。而且碳刷存在磨耗問(wèn)題，需要定期的更新碳刷，維護(hù)不方便。伴隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，使用電子換向的直流無(wú)刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。隨著微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快，人們可以

4、將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，而且體積越來(lái)越小。像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digitalconverter,ADC)、脈沖寬度調(diào)制(pulsewidemodulator,PWM)等。直流無(wú)刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電換相，得到類似直流電機(jī)特性又沒(méi)有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。從目前直流電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，直流有刷電機(jī)逐步被淘汰，直流無(wú)刷電機(jī)成為直流電機(jī)的主流。2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介直流無(wú)刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響：N=120*f/P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率f就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無(wú)刷電機(jī)

5、即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動(dòng)器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說(shuō)直流無(wú)刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種無(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。它具有直流電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性，但是由于沒(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)，是一種理想的調(diào)速電機(jī)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造一般是內(nèi)藏檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置用的磁氣元件（霍爾IC）或光學(xué)編碼器。由此位置傳感器向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出信號(hào)。電動(dòng)機(jī)線圈是3相星形結(jié)線。另外，轉(zhuǎn)子使用永久磁鋼。

6、檢測(cè)用的磁性元件是一般使用霍爾IC,個(gè)別高檔的直流無(wú)刷電機(jī)使用編碼器?；魻朓C固定在定子的內(nèi)側(cè)，一般安裝有3個(gè)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即從霍爾IC輸出數(shù)字信號(hào)。外形及內(nèi)部構(gòu)造:無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造u=u相線制定子v=v相線曲內(nèi)二W相纜省轉(zhuǎn)子二盼銀其子電動(dòng)機(jī)線圈-0摘出1o帕出2霍爾IC部3-無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器包括電源部及控制部如下圖：電源部提供三相電源給電機(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入（一般為24V）或以交流電（110V/220V）,如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由變頻器轉(zhuǎn)成3相電壓來(lái)

7、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。變頻器一般由6個(gè)功率晶體管組成。6個(gè)功率晶體管連接著電機(jī)，作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開(kāi)關(guān)。料部甲LPuli*七上看）要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，首先控制部就必須根據(jù)霍爾IC感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開(kāi)啟（或關(guān)閉）換流器中功率晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向（或逆向）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾IC感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管；要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開(kāi)啟順序相反?；旧瞎β示w管的開(kāi)法請(qǐng)見(jiàn)下圖示：電

8、動(dòng)機(jī)線周各晶體管的開(kāi)關(guān)程序品體管二一®®金®®好信Tr1ONONONONONTr2ONONONONTr3ONONONONTr4ONONONONTr5ONONONONTr6ONONONONONU相NSS;NNSS一NN廿相一NNsS一NNsS一W相sS一NN一sS一NNs動(dòng)機(jī)線圈連接至有開(kāi)關(guān)用的晶體管，晶體管有6個(gè)，組成變頻器。上下的晶體管依一定順序交互地重復(fù)ON-OFF,轉(zhuǎn)變線圈電流的方向。接下來(lái)說(shuō)明運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。以上圖的晶體管的開(kāi)關(guān)程序執(zhí)行STEP1時(shí)，晶體管是Tr1與Tr6為ON的狀態(tài)。這時(shí)的線圈電流是從U相流到W相，U相是被勵(lì)磁成N極、而W相則被勵(lì)磁

9、成S極。因此，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)30°。此動(dòng)作重復(fù)12次，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)1圈。4、直流無(wú)刷電機(jī)與其他電機(jī)相比的優(yōu)勢(shì)A、小型化一與異步感應(yīng)電機(jī)比較無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（永磁鐵轉(zhuǎn)子）感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（鋁籠+電磁鋼板構(gòu)成的轉(zhuǎn)子）由于將永久磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)小型高效率的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。輕巧的設(shè)計(jì)，符合設(shè)備小型化的需求。具體以。血照膘吶的2款馬達(dá)作對(duì)比:EE06口EE06口化型*80mmFBLU系列120W165mmAC調(diào)速電動(dòng)機(jī)90W120W直流無(wú)刷馬達(dá)的長(zhǎng)度只有90W異步交流電機(jī)的二分之一。同時(shí)直流無(wú)刷馬達(dá)包含以過(guò)負(fù)載保護(hù)功能以及過(guò)電壓保護(hù)功能為首的各種保護(hù)功能。在保護(hù)功能啟動(dòng)時(shí)會(huì)有警報(bào)輸出產(chǎn)生。而異步交流電機(jī)基本上

10、不具備這些功能。B、均勻轉(zhuǎn)矩、卓越的速度穩(wěn)定性直流無(wú)刷電機(jī)能夠比較電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)與設(shè)定速度，同時(shí)調(diào)整供應(yīng)給電動(dòng)機(jī)的電流。籍此穩(wěn)定了馬達(dá)速度，即使負(fù)載狀況發(fā)生變化，仍舊可以以穩(wěn)定的速度驅(qū)動(dòng)。unentaimoror東方R達(dá)直流無(wú)刷電機(jī)公司的BX系列的速度變動(dòng)率甚至可以做到土0.05%（對(duì)負(fù)載）。具體請(qǐng)參考下圖：AC交流異步調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速變化?。。?#177;1%以下）轉(zhuǎn)速變化大!（-2-10%左右）傳送時(shí)間變化大，給設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)序控制帶來(lái)麻煩，還使設(shè)備的利用率降低，生產(chǎn)率下降。而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)即使負(fù)載有變化也能保持傳送時(shí)間一定，給設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，生產(chǎn)率也能保持穩(wěn)定。具體請(qǐng)參考下面的例子：

11、變頻調(diào)速：£1秒無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī);10秒7長(zhǎng)L51n.速度150mm/sec的傳送帶變頻調(diào)速10秒7n4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)10秒選用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，傳送時(shí)間10秒（與重量無(wú)關(guān)）.選用變頻調(diào)速時(shí)，隨著重最的增加，傳送速度變慢，重量10k耳時(shí)傳送時(shí)間需要21秒（增加11秒）o相同（10秒）時(shí)間搬運(yùn)的距離選用無(wú)刷機(jī)時(shí)，L5m選用變頻調(diào)速時(shí)，0-73m（搬運(yùn)重量10kg）C、馬達(dá)與馬達(dá)個(gè)體之間的速度變動(dòng)率小。MSS425-OO2W2E直流無(wú)刷馬達(dá)不僅個(gè)體本身的速度變動(dòng)率小，而且個(gè)體之間的變動(dòng)率也較小。特別適用于類似液晶面板這類對(duì)于馬達(dá)之間速度變動(dòng)率要求較高的行業(yè)。數(shù)個(gè)傳送帶運(yùn)行時(shí),傳送帶間的速度

12、不一致將對(duì)搬運(yùn)物產(chǎn)生損傷，出現(xiàn)不.良產(chǎn)品.在類似液晶面板傳輸?shù)男袠I(yè)中，如果2個(gè)傳輸帶之間的速度差異較大，就會(huì)產(chǎn)生一定的張力。此張力對(duì)于薄薄的液晶面板具有很大的破壞性。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求轉(zhuǎn)送帶的速度穩(wěn)定性好，選用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)能滿足設(shè)備要求。D、最大輸入電流實(shí)驗(yàn)比較：變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流為7A。而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流為3A（1/2以下）。變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)與無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的最大輸入電流相差較大，特別是電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)較多時(shí)，為了保證啟動(dòng)電流，將導(dǎo)致電源設(shè)備大容量化。此時(shí)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)。E、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的溫升低無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)頻異步電動(dòng)機(jī)溫升（額定運(yùn)行時(shí)）158356溫

13、升（間隙運(yùn)行時(shí)）750c14.8周圍溫度為40度時(shí):異步電動(dòng)機(jī)表面溫度將超過(guò)70度，根據(jù)EN60950的要求,電動(dòng)機(jī)表面必須粘貼高溫警告標(biāo)志口無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的表面溫度低于70度、不需要高溫警告標(biāo)志直流無(wú)刷電機(jī)之所發(fā)熱量低，在于其效率高。能量轉(zhuǎn)換主要表示為熱量加做功，當(dāng)做功的效率高時(shí)，溫升自然就比較低。因此直流無(wú)刷電機(jī)非常適合使用在24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。具體的效率比請(qǐng)參考美國(guó)能源部對(duì)各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率的比較，如圖所示：口突功效率口伏安效率美國(guó)能源部對(duì)各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率的比較F、節(jié)省能源無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子使用永久磁鋼，不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的二次損耗。具體請(qǐng)參考下圖：圖中數(shù)字一變頻器異步電動(dòng)機(jī)的損耗無(wú)刷直流

14、電動(dòng)機(jī)的損耗結(jié)論：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的損耗«變頻器異步電動(dòng)機(jī)的損耗假設(shè)每套設(shè)備中使用的20臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)用無(wú)刷機(jī)直流電動(dòng)機(jī)取代，每臺(tái)節(jié)能14.6W,每天工作24小時(shí)。每年可節(jié)約電能2558kWh（14.6WX20臺(tái)X24小時(shí)X365天），按照目前上海工業(yè)用電價(jià)1.074元/度的價(jià)格換算可以節(jié)約：2747元。同時(shí)相當(dāng)于減少CO2排放1.4噸。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排效果顯著。G、與伺服電機(jī)的比較。直流無(wú)刷電機(jī)與伺服電機(jī)的電動(dòng)機(jī)本體相同（永磁轉(zhuǎn)子、集中定子繞組），但是位置傳感器不同。直流無(wú)刷采用霍爾IC（個(gè)別高檔的也會(huì)采用低端的編碼器）而伺服電機(jī)普遍采用光學(xué)編碼器。因此直流無(wú)刷電機(jī)除了速度

15、控制之外，無(wú)法做到伺服電機(jī)的位置控制、轉(zhuǎn)矩控制等。但是作為調(diào)速電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，除了快速響應(yīng)及低速運(yùn)行，可以用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取代伺服電動(dòng)機(jī)，而價(jià)格方面無(wú)刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)較大（200W電動(dòng)機(jī)比較例）無(wú)刷直流伺服額定輸出功率11額定轉(zhuǎn)矩11啟動(dòng)轉(zhuǎn)炬11.65額定轉(zhuǎn)速11轉(zhuǎn)速范圍80-40000.01,5000轉(zhuǎn)速變化率（對(duì)負(fù)載）10.25轉(zhuǎn)速變化率（對(duì)溫度）11價(jià)格12.8最大電流10.7體枳10.4位置控制XO轉(zhuǎn)矩控制XO5、直流無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用行業(yè)：由于直流無(wú)刷電機(jī)可以直接使用直流電源，因此在無(wú)人小車AGV、電瓶車行業(yè)應(yīng)用較廣。在牽引電機(jī)電瓶車行業(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

16、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。由于直流無(wú)刷電機(jī)的高效率、發(fā)熱量低的特點(diǎn)，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)載等行業(yè)。低速時(shí)段高轉(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。由于直流無(wú)刷小型化，可以應(yīng)用在對(duì)于馬達(dá)尺寸要求較高的精密電子行業(yè)。目前東方馬達(dá)公司的15W直流無(wú)刷馬達(dá)可以做到42mm*42mm的法蘭安裝面。像一些醫(yī)療機(jī)械、半導(dǎo)體、測(cè)量等精密電子行業(yè)對(duì)于這類小尺寸的電機(jī)往往有著特殊的親睞。6、結(jié)論：目前直流無(wú)刷電機(jī)在國(guó)內(nèi)工控市場(chǎng)的知名度不高、普及率較低。許多用戶當(dāng)變頻器異步電動(dòng)機(jī)滿足不了要求時(shí)就盲目直接采用伺服電動(dòng)機(jī)、而很多情