BLDC電機優(yōu)越性

1、節(jié)能減排電機的選擇-直流無刷電機Orientalmotor樂方R這東方馬達中國總公司朱華摘要：當今的國內(nèi)工控業(yè)界人士，對于馬達通常有這樣一種觀點：低端馬達使用AC異步交流電機，高端馬達采用伺服電機。實際上國內(nèi)的馬達應(yīng)用存在一種跳級現(xiàn)象，即從AC異步交流電機直接跳到了伺服電機，而中間的直流無刷電機往往被人們忽略掉。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BLDCo直流無刷電機的特有的高效率、低發(fā)熱等特性和優(yōu)點，正切合了國家的節(jié)能減排的要求。通過與其他電機的一些比較，我們可以更加直觀的看出這些特性，進而方便工程師在選用電機的時候選擇最適合的電

2、機而不是最貴的電機。關(guān)鍵詞：無刷直流電機節(jié)能減排伺服電機AGV1無刷直流電動機的發(fā)展演變及在國內(nèi)工控業(yè)界的應(yīng)用現(xiàn)狀在國外，電機大致沿著AC交流異步電機一-直流無刷電機一-步進電機一-伺服電機這樣的演變流程在發(fā)展。因此對于各種電機的特性，國外的工程師往往比較了解，電機的采用主要根據(jù)最適合現(xiàn)場的標準來選擇。我國的工業(yè)自動化，在改革開放后飛速發(fā)展起來。在90年代，伺服電機就已經(jīng)被引入國內(nèi)，廣大的工控人士得以直接接觸到了電機的最高端類型伺服電機。而在改革開發(fā)之前，我國工控業(yè)界馬達使用類型較為單一，絕大部分的工程師都只知道和使用AC交流異步電機。中間類型的步進電機和直流無刷電機還沒有來得及接觸就應(yīng)用到了

3、伺服電機，馬達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。而實際應(yīng)用中，很多場合使用直流無刷電機不僅成本下降較多，而且效果還不錯，控制也相對伺服電機簡單。提到直流無刷電機，那么就不得不提直流有刷電機。這里的“刷”實際上就是指“碳刷”，最早的直流電機都是帶有“碳刷”的。碳刷是直流有刷電機中的關(guān)鍵性部件，主要起到電流的換向作用。然而其缺點也是較為突出：碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉，因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。而且碳刷存在磨耗問題，需要定期的更新碳刷，維護不方便。伴隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，使用電子換向的直流無刷電機應(yīng)運而生。隨著微處理機速度亦越來越快，人們可以

4、將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小。像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digitalconverter,ADC)、脈沖寬度調(diào)制(pulsewidemodulator,PWM)等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。從目前直流電機的發(fā)展趨勢來看，直流有刷電機逐步被淘汰，直流無刷電機成為直流電機的主流。2無刷直流電動機簡介直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(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)磁場的頻率f就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機

5、即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。無刷直流電動機是一種無級變速電機，它由一臺同步電機和一組逆變橋所組成。它具有直流電機那樣良好的調(diào)速特性，但是由于沒有換向器，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)常性維護等優(yōu)點，是一種理想的調(diào)速電機。無刷直流電動機的構(gòu)造一般是內(nèi)藏檢測轉(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)動電路發(fā)出信號。電動機線圈是3相星形結(jié)線。另外，轉(zhuǎn)子使用永久磁鋼。

6、檢測用的磁性元件是一般使用霍爾IC,個別高檔的直流無刷電機使用編碼器。霍爾IC固定在定子的內(nèi)側(cè)，一般安裝有3個，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，即從霍爾IC輸出數(shù)字信號。外形及內(nèi)部構(gòu)造:無刷直流電動機的構(gòu)造u=u相線制定子v=v相線曲內(nèi)二W相纜省轉(zhuǎn)子二盼銀其子電動機線圈-0摘出1o帕出2霍爾IC部3-無刷直流電動機的工作原理直流無刷驅(qū)動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，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)入電機線圈前須先將直流電壓由變頻器轉(zhuǎn)成3相電壓來

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

8、動機線周各晶體管的開關(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動機線圈連接至有開關(guān)用的晶體管，晶體管有6個，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。接下來說明運轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。以上圖的晶體管的開關(guān)程序執(zhí)行STEP1時，晶體管是Tr1與Tr6為ON的狀態(tài)。這時的線圈電流是從U相流到W相，U相是被勵磁成N極、而W相則被勵磁

9、成S極。因此，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)30°。此動作重復(fù)12次，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)1圈。4、直流無刷電機與其他電機相比的優(yōu)勢A、小型化一與異步感應(yīng)電機比較無刷直流電動機（永磁鐵轉(zhuǎn)子）感應(yīng)電動機（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，實現(xiàn)小型高效率的無刷直流電動機。輕巧的設(shè)計，符合設(shè)備小型化的需求。具體以。血照膘吶的2款馬達作對比:EE06口EE06口化型*80mmFBLU系列120W165mmAC調(diào)速電動機90W120W直流無刷馬達的長度只有90W異步交流電機的二分之一。同時直流無刷馬達包含以過負載保護功能以及過電壓保護功能為首的各種保護功能。在保護功能啟動時會有警報輸出產(chǎn)生。而異步交流電機基本上

10、不具備這些功能。B、均勻轉(zhuǎn)矩、卓越的速度穩(wěn)定性直流無刷電機能夠比較電動機轉(zhuǎn)速的反饋信號與設(shè)定速度，同時調(diào)整供應(yīng)給電動機的電流。籍此穩(wěn)定了馬達速度，即使負載狀況發(fā)生變化，仍舊可以以穩(wěn)定的速度驅(qū)動。unentaimoror東方R達直流無刷電機公司的BX系列的速度變動率甚至可以做到土0.05%（對負載）。具體請參考下圖：AC交流異步調(diào)速電機轉(zhuǎn)速變化?。。?#177;1%以下）轉(zhuǎn)速變化大!（-2-10%左右）傳送時間變化大，給設(shè)備的設(shè)計時序控制帶來麻煩，還使設(shè)備的利用率降低，生產(chǎn)率下降。而無刷直流電動機即使負載有變化也能保持傳送時間一定，給設(shè)備的設(shè)計帶來方便，生產(chǎn)率也能保持穩(wěn)定。具體請參考下面的例子：

11、變頻調(diào)速：£1秒無刷直流電動機;10秒7長L51n.速度150mm/sec的傳送帶變頻調(diào)速10秒7n4無刷直流電動機10秒選用無刷直流電動機時，傳送時間10秒（與重量無關(guān)）.選用變頻調(diào)速時，隨著重最的增加，傳送速度變慢，重量10k耳時傳送時間需要21秒（增加11秒）o相同（10秒）時間搬運的距離選用無刷機時，L5m選用變頻調(diào)速時，0-73m（搬運重量10kg）C、馬達與馬達個體之間的速度變動率小。MSS425-OO2W2E直流無刷馬達不僅個體本身的速度變動率小，而且個體之間的變動率也較小。特別適用于類似液晶面板這類對于馬達之間速度變動率要求較高的行業(yè)。數(shù)個傳送帶運行時,傳送帶間的速度

12、不一致將對搬運物產(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個傳輸帶之間的速度差異較大，就會產(chǎn)生一定的張力。此張力對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，選用無刷直流電動機能滿足設(shè)備要求。D、最大輸入電流實驗比較：變頻器控制異步電動機最大啟動電流為7A。而無刷直流電動機最大啟動電流為3A（1/2以下）。變頻器控制異步電動機與無刷直流電動機的最大輸入電流相差較大，特別是電動機臺數(shù)較多時，為了保證啟動電流，將導(dǎo)致電源設(shè)備大容量化。此時無刷直流電動機具有優(yōu)勢。E、無刷直流電動機的溫升低無刷直流電動機調(diào)頻異步電動機溫升（額定運行時）158356溫

13、升（間隙運行時）750c14.8周圍溫度為40度時:異步電動機表面溫度將超過70度，根據(jù)EN60950的要求,電動機表面必須粘貼高溫警告標志口無刷直流電動機的表面溫度低于70度、不需要高溫警告標志直流無刷電機之所發(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，當做功的效率高時，溫升自然就比較低。因此直流無刷電機非常適合使用在24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)的場合。具體的效率比請參考美國能源部對各種驅(qū)動電機效率的比較，如圖所示：口突功效率口伏安效率美國能源部對各種驅(qū)動電機效率的比較F、節(jié)省能源無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子使用永久磁鋼，不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的二次損耗。具體請參考下圖：圖中數(shù)字一變頻器異步電動機的損耗無刷直流

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

15、控制之外，無法做到伺服電機的位置控制、轉(zhuǎn)矩控制等。但是作為調(diào)速電動機使用時，除了快速響應(yīng)及低速運行，可以用無刷電動機取代伺服電動機，而價格方面無刷電動機優(yōu)勢較大（200W電動機比較例）無刷直流伺服額定輸出功率11額定轉(zhuǎn)矩11啟動轉(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（對負載）10.25轉(zhuǎn)速變化率（對溫度）11價格12.8最大電流10.7體枳10.4位置控制XO轉(zhuǎn)矩控制XO5、直流無刷電機應(yīng)用行業(yè)：由于直流無刷電機可以直接使用直流電源，因此在無人小車AGV、電瓶車行業(yè)應(yīng)用較廣。在牽引電機電瓶車行業(yè)，取代傳統(tǒng)直流有刷電機時除可以達到更高效率，更高激活轉(zhuǎn)矩等特性

16、外，由于采用方波驅(qū)動，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。由于直流無刷電機的高效率、發(fā)熱量低的特點，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、空氣壓縮機負載等行業(yè)。低速時段高轉(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，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。由于直流無刷小型化，可以應(yīng)用在對于馬達尺寸要求較高的精密電子行業(yè)。目前東方馬達公司的15W直流無刷馬達可以做到42mm*42mm的法蘭安裝面。像一些醫(yī)療機械、半導(dǎo)體、測量等精密電子行業(yè)對于這類小尺寸的電機往往有著特殊的親睞。6、結(jié)論：目前直流無刷電機在國內(nèi)工控市場的知名度不高、普及率較低。許多用戶當變頻器異步電動機滿足不了要求時就盲目直接采用伺服電動機、而很多情