1、产业用无刷直流电机 摘 要: 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为 BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过 55kW,可设计到 400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。. 关键词:无刷直流电机 永磁同步电机 直流变频 钕铁硼 Abstract: Brushless direct current motor has the same dc motor output characteristics, alsonamed BLDC. BLDC ha
2、ve higher output torque in low speed, higher efficiency and better speed precision than any control modes of frequency converter drives. This chapter introduce capacity up to 400kW for the industrial application.Key words:Brushless direct current motor Permanent magnetic synchronous motor BLDC NdFeB
3、中图分类号TM921 文献标识码B 文章编号 1561-0330(2003)06-001 无刷直流电动机简介 无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成,如图 1所示。它具有直流电机那样良好的调速特性,但是由於没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。在工作原理上有二种不同的工作方式：(1)直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”,如图 1 所示。是将三相交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作
4、在直流斩波方式。(2)交流无刷电动机:它是利用交-交变频器向同步机供给交流电。（插图 1）无刷直流电动机 Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机(参考下列美国能源部针对各种不同调速电机效率比较图).本产品具有高效率,高转矩,高精度的三高特点;同时具有体积小,重量轻,可作成各种体积形状,是当今最高效率的调速电机,与传统直流有刷电机比较,或与交流变频调速比较均有更好的性能;在
5、牵引电机电瓶车 EV 行业,取代传统直流有刷电机时除可以达到更高效率,更高激活转矩等特性外,由于采用方波驱动,让铅酸蓄电池有时间修补电极板,可以延长蓄电池的寿命,提高约 1.3 倍的电池容量,综合效率约可提高一倍左右的电池容量,大大的改善了电瓶车的性能.无刷直流电动机在先进国家已大量应用于军事、信息业(IT)、办公设备(OA)、家电业(HA)、DIY 手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等;经过本公司十多年的研究开发,目前生产容量已经达 75kW,设计容量可达 315kW,可以满足产业自动化及流体机械、空调机械的节电驱动应用.无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在 24
6、小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。由于本产品具有弹性的尺寸及不同的电气特性,除通用型 G 系列,高激活转矩 M 系列外,每一种行业的应用都不尽相同,因此用户订货前必须提出电气特性与机械尺寸的要求，图 2 示士出永磁无刷直流电动机与异步电动机变频变压的机械特性比较。 图 2 机械特性比较图1 异步电动机变频变压 2 永磁无刷直流电动机（BLDCM）注：BLDCM
7、 可在Mmax 负载转矩下起动，可在 MNMMmax 负载下短时运行，可在MN 下长时运行。美国能源部对各种驱动电机效率的比较，如图 3 所示 图 3 美国能源部对各种驱动电机效率的比较2-无刷直流电动机的工作原理2.1 基本工作原理无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用
8、来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷直流电动机的原理简图如图 4 所示：主电路是一个典型的电压型交直交电路，逆变器提供等幅等宽 5-26KHz 调制波的对称交变矩形波。永磁体 N-S 交替交换，使位置传感器产生相位差 1200 的 U、V、W 方波，结合正/反转信号产生有效的 6 状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生 T1T4 导通、T1T6 导通、T3T6 导通、T3T2 导通、T5T2 导通、T5T4 导通，也就是说将直流母线电压依次加在 A+B-、A+C-、B+C-
9、、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对 N-S 极，T1T6 功率管即按固定组合成6 种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动 600 电角度，转子跟随定子磁场转动相当于 600 电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W 按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进 600 电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。无刷直流电动机的工作原理简图2.2
10、无刷直流电动机的电磁转矩无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均电流：Tm=KtIav （Nm） (1)电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：ELL=Ke （V） (2)所以电动机绕组中的平均电流为：Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） (3)其中，Vm=VDC 是加在电动机线间电压
11、平均值，VDC 是直流母线电压， 是调制波的占空比，Ra 为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：Tm=（VDCKt/2Ra）-Kt（Ke/2Ra）Kt、Ke 是电动机的结构常数， 为电动机的角速度（rad/s） ，所以，在一定的 时，改变占空比 ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令 Vc 的高低，如果速度指令最大值为+5V 对应的最高转速：Vc（max）n max，那么，+5V 以下任何电平即对应相当的转速 n，这就实现了变速设定。当 Vc 设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是
12、环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压 Vfb 变小，调制波的占空比 就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时， 减小，Tm 减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在 1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高 10%左右，一般来
13、说，无刷直流电动机的力能指针（cos）比同容量三相异步电动机高 12%-20%。2.3 与异步电动机的比较. 由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。近 30 年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，而无刷直流电动机的电流或电枢的端电压，就是直接控制电动机转矩的物理量。过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限
14、制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，例如，我公司推出得 BS 系列无刷直流电动机的售价已与异步电动机和普通变频器售价之和相差无几。稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。3 稀土永磁无刷直流电动机的应用电动机的控制实际上是转矩控制，电动机的体积大小决定于转矩的大小，所以选用电动机时，除了有关安装方式，防护等级以外，莫不以负载转矩稳态负载转矩 TL 和扰动转矩 TL 为中心来考虑电动机的选用。(1)电动机的电磁转矩 TM 决定了电动机的体积 D2LX TM=CMD2L其中 CM 称作电动机常数，它和
15、电动机绕组绝缘等级、散热条件等密切相关。通常标定的电动机输出功率 PN 是在额定转速 nN 下连续输出额定转矩 TN乘积关系，如果 PN 以（W） 、T 以（Nm） 、nN 以（r/min）表示，则PN =0.1047TNnNTNNN 是电动机的额定角速度， (rad/s)所以，选用电动机（特别是调速应用的电动机）应该说：在 XX-XX 转速范围内电动机的连续额定转矩 TN 是多少，或者说：在最大工作转速为XXr/min 电动机额定功率是多少。对一个调速比为 D=nmax/nmin 恒转矩 TL 运行的调速电动机来说，它的输出功率从 Pmin=0.1047nminTL 到 Pmax=0.104
16、7nmaxTL，如果 D=100，则最大和最小输出功率之比为 100:1。对于无刷直流电动机来说，转速增加后铁耗和风摩耗近似以转速的平方关系增加，所以输入功率增加比例更大。(2) 负载的最大转矩负载的等效转矩，Teq 不得超过电动机连续额定转矩，负载的最大转矩不得超过电动机的允许过载转矩, 如图 5 所示。 图 5 负载的等效转矩 (3) 转动惯量减速比 i 是电动机转速 nM 和负载转速 nL 之比，在不计减速机构效率时，两方功率平衡 TMnM= TLnL，所以 i= nM/nL，i= TL/TM，减速机构相当于放大了电动机的转矩，减小了电动机转速。负载转动惯量 JL 折算到电动机轴上的转动
17、惯量 JL和电动机自身转动的惯量 JM 之和是：JL + JM = JL/i2+JM ，如果负载质量为 m，以 V 为速度运动，则：1/2mV2=1/2JL2， JL=mV2/2利用 JL=JL/i2 , 得 JL+JM=JL/i2+JM=J(4) 减速比 i 的选择任何瞬时，以下方程都成立TM=TL+B+Jd/dt其中 TM 是电动机输出转矩，TL 是负载和库仑转矩之和，B 是阻尼系数，J 是系统转动惯量，TL、B、J 都是折算到电动机轴上的等效资料， 是电动机的角速度。对于系统转动惯量 J 大的系统宜选择大减速比 i 的减速机构。对于要求加速快而 J 又显著较大时，宜选用 i=JL/JM，
18、就是选择 i，使负载折算转动惯量 JL等于电动机转动惯量 JM。过大的Jd/dt 容易引起负转速波动或震荡，因此应使 缓变，避免 突变；如果确需 突变，则应选用伺服型系统，而不应选用任何一种类型的调速系统，如果 Jd/dt 远大于 TL、B，则在停机时，无刷电动机将在发电机状态工作，在这种状态下，直流母线电压会急剧增长，危及功率器件。为此需在直流母线上增加过压放电电路或使指令电压 Vc 缓变，使M 逐渐降到安全角速度再切断速度指令。否则，需另加制动器以适应快速停转的需要。对于频繁启动或正反转的系统也应遵守软启动、软停止、再启动的原则，并且要核算等效电流 IeqIeq=Ii2ti/ti IN(5
19、) 多台电动机的高速同步旋转无刷直流电动机适应多台电动机中高速同步旋转，其转速相差不超过1%。这时需多台电动机共享一个速度指令，对于多台电动机相距远时，需用 V/f-f/V 变换技术来传递速度指令，防止速度指令电平 Vc 在传递中因衰减不同而引起指令误差。(6) 恒张力（F）系统恒张力（F）系统选用无刷直流电动机作为卷绕机构动力时，电动机的最高转速max= ，电动机的最大转矩 Tmax=FDmax/2，其中 Dmin 和 Dmax对应卷筒的最小和最大直径（m） ，V 是卷绕物的线速度（m/min） ，F 为恒张力（N） ，最大转矩 Tmax（Nm） ，负载功率 P=FV/60（W） 。4-无刷
20、直流电动机特点*容量范围大:标准品可达 400kW,更大容量可以订制.*电压种类多:直流供电,交流高低电压均不受限制.*低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出,激活转矩可以达到两倍或更高.*高精度运转:不超过 1 rpm.(不受电压变动或负载变动影响).*高效率:所有调速装置中效率最高,比传统直流电机高出 530%.*调速范围:简易型/通用型(1:10),高精度型(1:100),伺服型.*过载容量高:负载转矩变动在 200%以内输出转速不变.*体积弹性大:实际比异步电机尺寸小,可以做成各种形状.*可设计成外转子电机(定子旋转).*转速弹性大:可以几 10 转到 106 转.*制动特性良好,可以选用四象限运转.
