無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展

無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展

1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和無(wú)刷產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)系數(shù)小的原因有無(wú)刷直流機(jī)保持了使用壽命機(jī)的良好控制特征，與清潔瑞利機(jī)相同。然而，電子表格組放在一對(duì)電子上，并且在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中釋放了永久性磁鋼。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組象交流電機(jī)的繞組一樣,采用多相形式,經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器接到直流電源上,定子采用位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向代替有刷電機(jī)的電刷和換向器,各相逐次通電產(chǎn)生電流,和轉(zhuǎn)子磁極主磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此目前在工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家里,工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的有刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)逐步被無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)所替代?，F(xiàn)在從國(guó)外進(jìn)口的設(shè)備中,已經(jīng)很少看到以有刷直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)了。這些國(guó)家相關(guān)的公司(如美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)等)已經(jīng)不再大量生產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)用的有刷直流電動(dòng)機(jī)了。在伺服控制系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速起、停、加速、減速,要求電機(jī)有這樣兩個(gè)特點(diǎn):①轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小;②起動(dòng)和最大轉(zhuǎn)矩大。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小和轉(zhuǎn)子外徑有直接關(guān)系。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子,是由帶齒、槽的鐵心構(gòu)成。槽中用來(lái)安放感應(yīng)繞組感生電流,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,這樣轉(zhuǎn)子外徑的進(jìn)一步減小有困難。對(duì)于有刷的直流電動(dòng)機(jī),電樞繞組放在轉(zhuǎn)子上,因此也無(wú)法進(jìn)一步減小外徑。同時(shí)由于換向器的存在,更進(jìn)一步限制了轉(zhuǎn)子外徑的減小。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子主要是永久磁鐵構(gòu)成的磁極體組成,電樞繞組在定子上,因而轉(zhuǎn)子外徑可以相對(duì)較小?？梢宰龅酱蟮钠饎?dòng)轉(zhuǎn)矩和大的最大轉(zhuǎn)矩,更快地加速電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載。在直流電機(jī)里,轉(zhuǎn)矩的大小和電流成正比關(guān)系。影響起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小的因素主要有:①電流過(guò)大時(shí),會(huì)造成永久磁鐵的不可恢復(fù)性的去磁;②驅(qū)動(dòng)控制器中功率器件的能力。在采用稀土永磁材料之后,由于矯頑力非常大,可以承受相當(dāng)大的去磁磁勢(shì),因此去磁的可能性不大。但對(duì)功率器件的能力卻是必須認(rèn)真考慮的,否則會(huì)由于過(guò)電流和過(guò)熱而損壞。一般情況下,最大轉(zhuǎn)矩取在額定轉(zhuǎn)矩的3~5倍之間,在特殊情況下,取在5~10倍之間。和有刷直流電機(jī)相比,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由于革除了電的滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu),因而消除了故障的主要根源。由于轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組,因此就沒(méi)有電的損耗。又由于主磁場(chǎng)是恒定的,因此鐵損也是極小的(在方波電流驅(qū)動(dòng)時(shí),電樞磁勢(shì)的軸線是脈動(dòng)的,會(huì)在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損)?？偟膩?lái)說(shuō),除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦損耗外,轉(zhuǎn)子的損耗很小,因而進(jìn)一步增加了工作的可靠性。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,發(fā)熱問(wèn)題必須作為一個(gè)基本原則考慮。發(fā)熱問(wèn)題由兩方面因素確定:①電機(jī)的損耗;②電機(jī)的散熱能力。和其它類(lèi)型電機(jī)相比,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的損耗小。這是因?yàn)?①永久磁鐵勵(lì)磁,沒(méi)有勵(lì)磁繞組,因此沒(méi)有勵(lì)磁繞組的電損耗;②勵(lì)磁磁場(chǎng)是恒定的,因此勵(lì)磁磁場(chǎng)不會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生鐵損;③沒(méi)有電刷和換向器,因此也不會(huì)象有刷直流電動(dòng)機(jī)那樣,產(chǎn)生由于電刷和換向器之間的摩擦損耗和電損耗。從散熱的角度看,由于電樞在定子上,直接和機(jī)殼相連,因此散熱條件好,熱傳導(dǎo)系數(shù)大。由于這樣的關(guān)系,在相同的條件下,在相同的出力要求下,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)的體積更小,重量更輕。研究開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能電動(dòng)機(jī)一直是重要課題,尤其是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普及,在數(shù)瓦至數(shù)千瓦這個(gè)功率段利用得更多。日本近些年來(lái)推出的分割鐵心結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)達(dá)到了卓越的效果。如松下公司推出MINAS-HYDER的兩個(gè)系列的電機(jī):超小型高效、節(jié)能系列和通用系列,容量就是數(shù)瓦至數(shù)千瓦。和標(biāo)準(zhǔn)的三相電機(jī)相比,在同樣的輸出功率情況下,超小型系列的體積只有13%大小,重量只有25%;通用系列的體積只有標(biāo)準(zhǔn)三相電機(jī)的60%,重量只有50%。高效、節(jié)能系列電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,因而動(dòng)態(tài)特性好。在電機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)中,目前還有一個(gè)重要措施,就是取消機(jī)殼,定子鐵心直接和外面接觸。這樣定子磁路擴(kuò)大,磁負(fù)荷下降,定子槽面積也可適當(dāng)加大,好處是顯而易見(jiàn)的。在一般的工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域,不論電機(jī)設(shè)計(jì)還是系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高效率節(jié)約能量都應(yīng)該被放在重要的位置。據(jù)報(bào)道,美國(guó)55%以上的電力是消耗在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行上,因此提高電動(dòng)機(jī)的效率,很有意義。以上的分析可以看出在所有類(lèi)型電機(jī)中,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的損耗最小、效率最高。有資料做過(guò)對(duì)比分析,對(duì)于7.5kW的異步電機(jī)系統(tǒng)效率可達(dá)86.4%,但是同樣容量的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)效率可達(dá)92.4%。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,電子工業(yè)的發(fā)展,電子元器件的價(jià)格不斷下降。考慮綜合指標(biāo)(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗等)之后,無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用正處于上升趨勢(shì)。下表是與其它電機(jī)的綜合特性比較。以上分析可以看出,在工業(yè)應(yīng)用中,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率、耐受環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。近幾年,隨著稀土永磁材料和電力電子器件性能價(jià)格比的不斷提高,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為中小功率高性能調(diào)速電機(jī)和伺服電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。下面就工業(yè)中的一些典型應(yīng)用進(jìn)行介紹分析。2工業(yè)應(yīng)用分類(lèi)2.1定速控制的應(yīng)用一般工業(yè)用場(chǎng)合不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機(jī)。(1)單方向連續(xù)運(yùn)行負(fù)載大多采用交流異步感應(yīng)電機(jī),電容運(yùn)轉(zhuǎn)型單相或三相交流異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)不需要調(diào)速或是容許轉(zhuǎn)速隨負(fù)載略有變化的高速或中速機(jī)械,如水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等宜選擇相應(yīng)轉(zhuǎn)速的2極或4極異步電動(dòng)機(jī);(2)對(duì)要求體積小、重量輕而工作轉(zhuǎn)速高(例如高于3000r/min)的負(fù)載諸如攪拌器、吸塵器和地毯清掃洗滌機(jī)等,則多采用單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)負(fù)載;但對(duì)要求噪聲較小的高速驅(qū)動(dòng),可考慮選用由逆變器供電的中頻異步電動(dòng)機(jī)或由直流供電的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。(3)對(duì)功率較小、且轉(zhuǎn)速允差較大時(shí)的小型工作機(jī)械,則可選用較廉價(jià)的罩極式異步電動(dòng)機(jī)。(4)對(duì)轉(zhuǎn)速較低的工作機(jī)械,尤其是經(jīng)常頻繁地正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié),為了縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間,提高生產(chǎn)效率、降低噪聲,可以采用低速直接驅(qū)動(dòng),選用低速電磁減速同步電動(dòng)機(jī)或齒輪減速異步電動(dòng)機(jī)。如自動(dòng)門(mén)和大功率的攪拌機(jī)等。根據(jù)門(mén)負(fù)載的大小,選用功率從幾十瓦到幾百瓦的電機(jī)。在以上的定速控制應(yīng)用中,在功率不大于10kW而且連續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合,為了減少體積,節(jié)省材料,提高效率和降低能耗這些因素,越來(lái)越多的電機(jī)正被無(wú)刷直流電機(jī)逐步代替。而在功率較大的場(chǎng)合,由于一次成本和投資較大,除了永磁材料外還要增加驅(qū)動(dòng)器,還較少有應(yīng)用。2.2交流傳動(dòng)傳動(dòng)速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié),但速度控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種,一種是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng),另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(此時(shí)的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器或交、直流測(cè)速等)。通常采用的電機(jī)主要有三種:直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。這在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車(chē)輛中有大量的應(yīng)用。在調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電動(dòng)機(jī),隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展,交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用,變頻器和交流電動(dòng)機(jī)迅速滲透到了原來(lái)直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,一方面是調(diào)速特性可以和直流電機(jī)系統(tǒng)相似,另一方面是交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)有著較大的優(yōu)勢(shì),容量大、可靠性高、干擾小、壽命長(zhǎng)。而在一些特種應(yīng)用領(lǐng)域,也同樣出現(xiàn)這種趨勢(shì)。然而由于無(wú)刷直流電機(jī)由于體積小、重量輕和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn),中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步為無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)所替代,特別是在紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等原來(lái)應(yīng)用變頻系統(tǒng)較多的領(lǐng)域,而在一些直接由電池供電的直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域,則更多的由無(wú)刷直流電機(jī)所替代。2.3精密控制2.3.1伺服電機(jī)的控制伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制中扮演了一個(gè)十分重要的角色,應(yīng)用場(chǎng)合的不同,對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能要求也不盡相同,因而在實(shí)際應(yīng)用中,伺服電動(dòng)機(jī)有各種不同的控制形式:轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、速度控制和位置控制。高速、高精度定位控制多采用交、直流伺服系統(tǒng),近年來(lái)由于交流伺服技術(shù)日趨成熟,已逐步替代直流伺服系統(tǒng)。方波電流驅(qū)動(dòng)的交流伺服電機(jī)實(shí)際上就是無(wú)刷直流電機(jī),國(guó)外一般成為BLDC。2.3.2當(dāng)代女性印花機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)要求具有嚴(yán)格同步轉(zhuǎn)速或恒速的裝置,如掃描儀、攝影機(jī)之類(lèi),則已大多采用帶穩(wěn)速裝置的無(wú)刷直流電機(jī)。在所有的工業(yè)系統(tǒng),凡是需要精確定位,高速動(dòng)作的場(chǎng)合,目前大多采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)。這種高性能系統(tǒng)的采用,不僅提高了生產(chǎn)效率,而且大大改善了產(chǎn)品質(zhì)量,提高了產(chǎn)品的價(jià)值。下面可舉幾個(gè)例子:原來(lái)糖果的包裝,雖然圖形和色彩很漂亮,但由于定位不準(zhǔn),在每粒糖的包裝紙上的位置不一致,價(jià)格不高。采用了準(zhǔn)確定位的糖果包裝機(jī)實(shí)現(xiàn)了圖形和字在每粒包裝紙上位置一致。據(jù)介紹糖果的價(jià)格提高了30%。舊的毛巾印花機(jī),由于定位不佳,毛巾上的圖樣會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位,產(chǎn)品價(jià)格提不高,而且無(wú)法出口。先進(jìn)的毛巾印花機(jī),采用兩套帶有光學(xué)編碼器的無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)作為伺服驅(qū)動(dòng)控制,生產(chǎn)效率高,定位準(zhǔn)確,印花清晰,產(chǎn)品價(jià)格得以提高。這樣的例子非常多,在冶金系統(tǒng)、化工系統(tǒng)、輕工系統(tǒng)、家電系統(tǒng)、電子工業(yè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、視聽(tīng)設(shè)備、裝配線、傳送機(jī)械設(shè)備、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)等等。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為高性能的伺服電動(dòng)機(jī),早期應(yīng)用的最多的場(chǎng)合是數(shù)控機(jī)床。早期的數(shù)控機(jī)床是采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的。步進(jìn)電機(jī)是天然的數(shù)字化執(zhí)行電動(dòng)機(jī),輸入量是數(shù)字脈沖,輸出的機(jī)械量是隨輸入數(shù)字量而變的步進(jìn)角度。但是由于步進(jìn)電機(jī)固有的特性限制,不可能進(jìn)一步提高速度和精度。目前生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床,由于采用了先進(jìn)的數(shù)控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng),使得設(shè)備的速度和精度都大大提高,性能更加完善,生產(chǎn)效率迅速提高。例如,目前高速?zèng)_床的最高沖制速度可達(dá)每分鐘800次。一般運(yùn)行速度是每分種400次,精度可達(dá)1~2角分之內(nèi)。在電機(jī)制造中,為了提高生產(chǎn)效率,以往都采用復(fù)式?jīng)_模進(jìn)行沖片的沖制,沖片可以一次沖制成功。有了高速?zèng)_床之后,單式?jīng)_模就可達(dá)到相當(dāng)高的生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)高速度、高精度。沖模的造價(jià)大大降低,沖模制造方便,加工周期縮短。在各種機(jī)床加工設(shè)備中,往往不是一套伺服系統(tǒng)。例如在多功能數(shù)控沖床中,除了主軸電機(jī)外,進(jìn)給系統(tǒng)是由三套伺服系統(tǒng)完成的,其中包括:工件的X軸轉(zhuǎn)動(dòng),工件的Y軸運(yùn)動(dòng)和沖頭沖位的進(jìn)給。所有的運(yùn)動(dòng)都是在數(shù)控單元的指揮下,高速準(zhǔn)確地完成。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用在我國(guó)還不算普及,數(shù)控機(jī)床的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)也是相當(dāng)薄弱。數(shù)控機(jī)床中數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)多數(shù)還是依靠進(jìn)口。因此在這方面的路還很長(zhǎng),而現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用在一定程度上代表著一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平。3典型應(yīng)用以下就服裝機(jī)械、紡織機(jī)械和交通運(yùn)輸中的典型應(yīng)用加以說(shuō)明:3.1交流伺服電機(jī)一般為70年代中期至80年代初期的水平。如電子定位針電動(dòng)機(jī)三自動(dòng)高速平縫機(jī)(可自動(dòng)走線、自動(dòng)停針、自動(dòng)定針數(shù))?，F(xiàn)正向可編程的工業(yè)縫紉機(jī)單機(jī)自動(dòng)化方向發(fā)展。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)高速平縫機(jī)供不應(yīng)求,其原因之一是,國(guó)內(nèi)企業(yè)過(guò)去縫紉設(shè)備以進(jìn)口為主,現(xiàn)在則以國(guó)產(chǎn)為主,其質(zhì)量已接近國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平,價(jià)格僅為國(guó)外機(jī)的1/2。工縫機(jī)用電機(jī)已發(fā)展四代產(chǎn)品,即摩擦片式、渦流式交流異步電動(dòng)機(jī)、混合步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。摩擦片式電子定位針電動(dòng)機(jī)起步快,但速度和針位控制精度差,且摩擦片的摩損會(huì)影響定位可靠性,需經(jīng)常保養(yǎng)和維修。渦流式電子定位針電動(dòng)機(jī)雖定位精度較高,但起步慢,噪聲和振動(dòng)大,不受制衣行業(yè)的歡迎?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)雖具有控制方便的優(yōu)點(diǎn),但起動(dòng)頻率、運(yùn)行速度達(dá)不到高速工縫機(jī)的要求,定位精度仍不理想。交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是國(guó)外80年代后期開(kāi)發(fā)應(yīng)用的產(chǎn)品。1986年以來(lái),以日本工縫機(jī)行業(yè),如重機(jī)公司、兄弟公司等,已把交流伺服電機(jī)運(yùn)用到各類(lèi)微電腦控制的高性能、高速平縫機(jī)、多功能電腦繡花機(jī)等縫紉設(shè)備中,并以每年12%的遞增速度取代原有的摩擦片或渦流式電子定位針電動(dòng)機(jī)。這類(lèi)交流伺服電機(jī)采用釹鐵硼永磁轉(zhuǎn)子,結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng),在非軸伸端裝有編碼器,因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)性能好,且有高精度定位、效率高、壽命長(zhǎng)、免維修、能在惡劣環(huán)境條件下使用等特點(diǎn)。該類(lèi)電機(jī)在高速自動(dòng)工業(yè)縫紉機(jī)上使用操縱自如,無(wú)噪聲污染,給人以舒適的工作環(huán)境。3.2紡織機(jī)械3.2.1無(wú)刷直流電機(jī)卷繞德國(guó)Schlafhorst公司AUTOCONER-338RH絡(luò)筒機(jī),與238機(jī)型相比,特點(diǎn)為:(1)卷繞速度由原來(lái)500-1500m/min提高至300-2000m/min。(2)槽筒由無(wú)刷直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),每個(gè)卷繞頭配備有自身的計(jì)算機(jī),來(lái)自清紗器和傳感器的信號(hào)都集中于這一新型計(jì)算機(jī)中。捻接電機(jī)也改為無(wú)刷直流電機(jī)。3.2.2.卷繞、捻線的設(shè)備(1)并紗機(jī)卷繞線速度進(jìn)一步提高,SSM的PSF型速度已達(dá)到了1600m/min,國(guó)產(chǎn)并紗機(jī)的最高速度也提高到800m/min;SSM公司采用了DIGICONEPreciflex專(zhuān)利技術(shù)使卷繞質(zhì)量提高;國(guó)產(chǎn)并紗機(jī)不僅提高了速度,而且在傳動(dòng)方式、導(dǎo)紗形式、品種適應(yīng)性方面都有較大的變化。傳動(dòng)方式也從交流異步電機(jī)方式向無(wú)刷直流電機(jī)方式過(guò)渡。(2)捻線設(shè)備短纖維倍捻機(jī),絲倍捻機(jī),工業(yè)用絲直捻機(jī),捻并絲機(jī),雙軸的卷繞頭驅(qū)動(dòng)原來(lái)采用4kW左右的交流變頻電機(jī)系統(tǒng),2萬(wàn)多轉(zhuǎn)的速度,目前也正在采用無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)。(3)整經(jīng)機(jī)分段整經(jīng)機(jī)生產(chǎn)的經(jīng)軸主要用于經(jīng)編機(jī),產(chǎn)品機(jī)電一體化水平很高,采用電子控制,操作方便。新產(chǎn)品中正考慮采用無(wú)刷直流電機(jī)。3.3功率c電動(dòng)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以說(shuō)是電動(dòng)車(chē)整車(chē)的核心部分,我們要求高效節(jié)能、利于環(huán)境保護(hù)、舒適耐用、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單等,在所帶能源有限的情況下,無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)正好具有這一系列的優(yōu)點(diǎn),典型應(yīng)用的主要參數(shù)如下:(1)電動(dòng)自行車(chē):整車(chē)速度20km/h,重量:40kg以下,額定功率一般為120-200W,轉(zhuǎn)速:161~210r/min。(2)電動(dòng)助動(dòng)車(chē):整車(chē)速度24km/h,重量:120kg以下,額定功率一般為300-800W,轉(zhuǎn)速:400~550r/min。(3)電動(dòng)摩托車(chē):整車(chē)速度30~60km/h,高的可達(dá)80甚至120km/h,額定功率:800-2400W。(4)高爾夫球車(chē):功率:3-6kW。(5)電動(dòng)轎車(chē):功率:30-102kW,電壓:96-312VDC,轉(zhuǎn)速:2500-15000r/min。美國(guó)多采用異步電機(jī)方案,效率:91%-94%;西歐多采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī),效率:90%;而日本多采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),效率:95%-97%。(6)電動(dòng)中巴:功率:20-28kW。(7)電動(dòng)大巴:采用異步電機(jī)方案,電壓:96-312VDC,功率為150kW。電動(dòng)大巴士輔助系統(tǒng):汽車(chē)空調(diào)用7kW,3000r/min,384V左右的無(wú)刷直流電機(jī)壓縮機(jī)系統(tǒng),動(dòng)力泵和剎車(chē)系統(tǒng)用的2.5kW,3000r/min,384V左右的無(wú)刷直流電機(jī)。4傳感器檢測(cè)力與轉(zhuǎn)子位置無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種機(jī)電一體化產(chǎn)品,除了傳統(tǒng)的電機(jī)本體外,還必須帶有傳感器,以檢測(cè)定、轉(zhuǎn)子之間相對(duì)位置。而且離開(kāi)了驅(qū)動(dòng)控制電路,它不可能運(yùn)行。同樣的,電子技術(shù)和電子元件的發(fā)展又進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。4.1電力電子技術(shù)和微處理技術(shù)對(duì)無(wú)刷電流機(jī)的影響4.1.1率場(chǎng)效應(yīng)晶體相對(duì)來(lái)說(shuō),電子元器件容易做到高電壓、低電流,尤其是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在大電流下管壓降大,晶體管上損耗也大。另一方面在高電壓、低電流情況下,功率晶體管上的管壓降為總線電壓的比例也小,這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。4.1.2電流驅(qū)動(dòng)的dp高速微處理器和DSP器件的出現(xiàn),使得運(yùn)行速度、處理能力提高很大,而且還有專(zhuān)用的控制芯片出現(xiàn)。隨著這些器件的普及和應(yīng)用的擴(kuò)大,器件成本大幅度下降。因此性能明顯優(yōu)秀的正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)會(huì)比方波驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)更受歡迎。德國(guó)西門(mén)子公司早期開(kāi)發(fā)的1F5系列是方波電流驅(qū)動(dòng)的,現(xiàn)已停止生產(chǎn),而以正弦波電流驅(qū)動(dòng)的1F6系列代替。當(dāng)然正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)需要帶有一定精度的位置傳感器,成本會(huì)更高一些,所以這種代替并不是在任何場(chǎng)合下都可使用的。由于高速微處理器、DSP的出現(xiàn),也更加保證了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的性能。在一些需要控制成本的應(yīng)用中,增加位置傳感器不太實(shí)用或無(wú)法接受。然而,DSP固有的計(jì)算能力可被用來(lái)在無(wú)刷電機(jī)上實(shí)現(xiàn)許多無(wú)傳感控制。在無(wú)刷直流電機(jī)中,可以有一種僅需四個(gè)電阻從獲得的位置、速率、干擾轉(zhuǎn)矩信息中進(jìn)行分配網(wǎng)絡(luò)的無(wú)傳感控制算法。此外,這個(gè)算法提供了瞬態(tài)位置和速率信息,而不象傳統(tǒng)的算法中需要采取過(guò)零算法。算法要求大約500條DSP指令(因此程序存儲(chǔ)量為500字),在這個(gè)20MIPS控制器上執(zhí)行時(shí)間約為13μs。低成本DSP為壓縮機(jī)、洗衣機(jī)、風(fēng)扇、泵機(jī)和高壓交流驅(qū)動(dòng)中的無(wú)傳感控制(直流無(wú)刷電機(jī))提供了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的和最優(yōu)化方案,低成本的DSP電機(jī)控制器的應(yīng)用已經(jīng)說(shuō)明無(wú)刷式非傳感器控制DC電機(jī)的應(yīng)用前景,一個(gè)新型高性能器件已經(jīng)隨著工業(yè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的要求而推向了市場(chǎng)。4.1.3開(kāi)關(guān)頻率低、頻率原來(lái)在采用雙極性功率晶體管時(shí),電路的開(kāi)關(guān)頻率一般在(2-5)kHz。這樣的頻率是在人耳聲頻范圍之內(nèi),噪聲令人討厭。同時(shí)在繞組電感不夠大時(shí),繞組電流波形不夠平滑、紋波很大。采用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極性晶體管之后,開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)10kHz以上。這樣,不論是電磁噪聲,還是電流波形都得到改善。4.2磁性材料磁能積隨意性電機(jī)的小型輕量高效率和磁性材料的發(fā)展息息相關(guān)。磁性材料的發(fā)展過(guò)程基本上經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段。發(fā)展最早的是鋁鎳鈷,這種磁性材料磁能積低,合金中含鈷,價(jià)格貴,但溫度特性好,所以至今某些場(chǎng)合還是用到它。后來(lái)開(kāi)發(fā)出鐵氧體磁性材料,這種磁性材料磁能積并