產(chǎn)業(yè)用無刷直流電機

1、產(chǎn)業(yè)用無刷直流電機 摘要:無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性,同時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.無刷直流電機的運轉(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)計到400kW,可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)電與高性能驅(qū)動的需求。.關(guān)鍵詞:無刷直流電機永磁同步電機直流變頻釹鐵硼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無刷直流電動機簡介無刷直流電動機的學(xué)名叫“無換向器

3、電機”或“無整流子電機”,是一種新型的無級變速電機,它由一臺同步電機和一組逆變橋所組成,如圖1所示。它具有直流電機那樣良好的調(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,是一種現(xiàn)想的變速電機。在工作原理上有二種不同的工作方式：(1)直流無刷電機:又稱“無換向器電機交一直一交系統(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)交流無刷電動機:它是利用交-交變頻器向同步機供給交流電。（插圖1）無刷直流電動機BrushlessDirectCurrentM

4、otor,BLDC,采用方波自控式永磁同步電機,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)直流電機的所有優(yōu)點,同時又解決了直流電機碳刷滑環(huán)的缺點,數(shù)字式控制,是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(參考下列美國能源部針對各種不同調(diào)速電機效率比較圖).本產(chǎn)品具有高效率,高轉(zhuǎn)矩,高精度的三高特點;同時具有體積小,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,與傳統(tǒng)直流有刷電機比較,或與交流變頻調(diào)速比較均有更好的性能;在牽引電機電瓶車EV行業(yè),取代傳統(tǒng)直流有刷電機時除可以達(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,讓鉛酸蓄電池有時間修補電極板,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.無刷直流電動機在先進(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手動工具、伺服系統(tǒng)、電動汽車、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)計容量可達(dá)315kW,可以滿足產(chǎn)業(yè)自動化及流體機械、空調(diào)機械的節(jié)電驅(qū)動應(yīng)用.無刷直流電動機具有上述的三高特性,非常適合使用在24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)的產(chǎn)業(yè)機械及空調(diào)冷凍主機、風(fēng)機水泵、空氣壓縮機負(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)用于機床工作母機及牽引電機的驅(qū)動;其穩(wěn)速運轉(zhuǎn)精度比直流有刷電機更高,

6、比矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制速度閉環(huán)的變頻驅(qū)動還要高,性能價格比更好,是現(xiàn)代化調(diào)速驅(qū)動的最佳選擇。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械尺寸的要求，圖2示士出永磁無刷直流電動機與異步電動機變頻變壓的機械特性比較。圖2機械特性比較圖1異步電動機變頻變壓2永磁無刷直流電動機（BLDCM）注：BLDCM可在Mmax負(fù)載轉(zhuǎn)矩下起動，可在MNMMmax負(fù)載下短時運行，可在MN下長時運行。美國能源部對各種驅(qū)動電機效率的比較，如圖3所示圖3美國能源部對各種驅(qū)動電機效率的比較2-無刷直流電動機的工作原理2.1基

7、本工作原理無刷直流電動機由同步電動機和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。同步電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；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。無刷直流電動機的原理簡圖如圖4所示：主電路是一個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600電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(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)，無刷直流電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因為無刷直流電動機的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。無刷直流電動機的工作原理簡圖2.2無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流電動機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，電動機在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。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，這正是他勵直流電動機的電流轉(zhuǎn)矩特性。電動機的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流：Tm=KtIav（Nm）(1)電動機兩相繞組反電勢的差正比于電動機的角速度：ELL=Ke（V）(2)所以電動機繞組中的平均電流為：Iav=（Vm-ELL）/2Ra（A）(3)其中，Vm=VDC是加在電動機線間電壓平均值，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機的電磁轉(zhuǎn)矩：Tm=（VDCKt/2Ra）-Kt（Ke/2Ra）Kt、Ke是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，為電動機的角速度（rad/s），所以，在一定的時，改變占空比，就可以線性地改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵直流電動機電樞

11、電壓控制相同的控制特性和機械特性。無刷直流電動機的轉(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，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，使電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機的實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機實際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時，減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止?？梢哉f，無刷直流電動機在允許的電網(wǎng)波動范圍內(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，并可以實現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運行。由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流；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機高10%左右，一般來說，無刷直流電動機的力能指針（cos）比同容量三相異步電動機高12%-20%。2.3與異步電動機的比較.由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電動機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機的永磁體，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、動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。近30年來針對異步電動機變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的方法，而無刷直流電動機的電流或電樞的端電壓，就是直接控制電動機轉(zhuǎn)矩的物理量。過去，由于稀土永磁體價格比較高等因素，限制了稀土永磁無刷直流電動機的應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列無刷直流電動機的售價已與異步電動機和普通變頻器售價之和相差無幾。稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。3稀土永磁無刷直流電動機的應(yīng)用電動機的控制實際上是轉(zhuǎn)矩控制，電動機的體積大小決定于轉(zhuǎn)矩的大小，所以選用電動機時，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和擾動轉(zhuǎn)矩TL為中心來考慮電動機的選用。(1)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TM決定了電動機的體積D2LXTM=CMD2L其中CM稱作電動機