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产业用无刷直流电机
Brushless DC Motor in Industry Application唐山普林依托永磁电机有限公司 戴政耀
深圳依托普林电力电子有限公司 赵泉勇
Dai Zhengyao Zhao Quanyong
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, also
named BLDC. BLDC have 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
[中图分类号]TM921 [文献标识码]B 文章编号 1561-0330(2003)06-00
1 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可在≤Mmax负载转矩下起动，可在MN≤M≤Mmax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T1—T4导通、T1—T6导通、T3—T6导通、T3—T2导通、T5—T2导通、T5—T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1—T6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 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 （N·m） (1)
电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：
ELL=Keω （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=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ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=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，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）ón 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δ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，δ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，一般来说，无刷直流电动机的力能指针（ηcosθ）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ΔTL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D2L
X TM=CMD2L
其中CM称作电动机常数，它和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（N·m）、nN以（r/min）表示，则
PN =0.1047TN·nN＝TN·ωN
ωN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=0.1047nmaxTL，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TM·nM= TL·nL，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=1/2JLω2， JL=mV2/ω2
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+Bω+J·dω/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，ω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，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J·dω/dt容易引起负转速波动或震荡，因此应使ω缓变，避免ω突变；如果确需ω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J·dω/dt远大于TL、Bω，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ωM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Ieq
Ieq=√∑Ii2·ti/∑ti ≤IN
(5) 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
ηmax= ，电动机的最大转矩Tmax=F·Dmax/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（N·m），负载功率P=FV/60（W）。
4-无刷直流电动机特点
*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5~30%.
*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.
*可设计成全密闭型,IP-54,IP-65,防爆型等均可.
*允许高频度快速激活,电机不发烫.
*通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同,易于技术改造.
5二种电机在不同控制方式下的比较二种电机在不同控制方式下的效率比较如图5所示
图5 二种电机在不同控制方式下的效率比较
6--依托无刷直流电动机
图6-依托无刷直流电动机的外形图
无刷直流电动机具有高效率,高精度,高转矩三高特性,能够轻松取代带速反馈的进口矢量控制变频器(或直接转矩控制),变频电机,直流有刷电机等;同时也可以取代不需高精度定位的伺服控制器,外形图如图6所示。是目前产业自动化与节电现代化的最重要驱动装置之一。.
无刷直流电机产品规范
容量范围: ~ 400 kW
极 数:2 ~ 48 极
电 压:直流电压,电瓶电压,单相,三相交流高低压可选.
频 率:50,60,400 Hz ,直流.
框 号:标准品45~355M,非标产品欢迎订制.
保护方式:IP-44/IP-54
速度指令:电位器,0~5V,4~20mA,RS-485
加减速时间:0.1 ~ 120S
绝缘等级:B级绝缘(F极可选)
控制方式:PWM (载波频率2~18 K Hz)
最低转速:通用型150rpm,高精度型可更低.
最高转速:100 ~ 30,000 rpm可选.
转速精度:±1 rpm/最高转速
调速范围:1:10,高精度型1:100.
最大转矩:150%.
转矩特性:恒转矩输出特性
激活转矩:通用型:200%,电瓶车:400%,牵引电机:600%.
制动转矩:20%以上,更高能力可选.
返馈装置:三相霍尔(相差120°).高精度及伺服型用光码盘.
基本功能:正反转,多段速度.
7--无刷直流电机与传统直流有刷电机的比较
无刷直流电机因为没有碳刷与换向器,所以没有维修与保养的需要;由于采用永磁转子,没有激磁损耗的问题,综合效率高出10~20%左右(依据功率大小而定),低速转矩更大,激活转矩可达额定3倍,转速精度可达1/3000,不受电压与负载变动的影响.电机可以做成密闭型
或防尘防爆型等结构.因此能够完全取代传统有刷直流电机,而且运转费用更低,没有保养维修的烦恼，无刷直流与有刷直流及欧盟CEMED标准的效率比较请参见图7。.
图7 各种直流电机效率比较图
8 无刷直流电机与异步机加变频器的比较
虽然当今交流变频调速非常普遍,但是变频调速受限于异步电机的低效率,电机运转在低速时转矩变小,谐波损耗大,速度变动率大,动态性能不佳等缺失;虽然采用速度死循环矢量控制或直接转矩控制变频器时其可以满足性能需要,但是购置费用偏高,而且异步电机的效率,功因,低速发热仍然无法改善.
我们在注塑机行业与变频器节能改造作比较,无刷直流电机的综合节电率比交流变频要高出20%以上,注塑机没有降低生产速度(变频器降低约3%),电机温升相差20℃.
在风机水泵压缩机的负载上应用,功率--速度曲线实际上应该达到三次方关系,但使用变频器驱动异步电机其曲线可能只有平方比例或稍差;采用无刷直流电机驱动其曲线可以接近三次方曲线特性,节电效果更好.
典型高效率异步电机及变频器驱动后的效率曲线图如图8所示
图8 效率曲线比较图
①BLDCM （无刷直流电动机）
②高效率异步机
③一般异步机
④无刷直流电机控制器
⑤变频器
参考文献
[1]许大中.晶闸管无换向器电机[M].北京:科学出版社,1984
[2] 张琛. 直流无刷电动机原理及应用[M]. 北京: 机械工业出版社，
作者简介
戴政耀 男 台湾普传股份有限公司总经理。毕业于台湾明新技术学院电机工程科系,曾任职于台湾东元电机股份有限公司重电业务部门,熟悉各种电机与变频器产品的应用技术.
（待续）
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