BLDC电机优越性.doc

节能减排电机的选择-直流无刷电机 东方马达中国总公司 朱华摘要：当今的国内工控业界人士，对于马达通常有这样一种观点：低端马达使用AC异步交流电机，高端马达采用伺服电机。实际上国内的马达应用存在一种跳级现象，即从AC异步交流电机直接跳到了伺服电机，而中间的直流无刷电机往往被人们忽略掉。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。直流无刷电机的特有的高效率、低发热等特性和优点，正切合了国家的节能减排的要求。通过与其他电机的一些比较，我们可以更加直观的看出这些特性，进而方便工程师在选用电机的时候选择最适合的电机而不是最贵的电机。关键词：无刷直流电机 节能减排 伺服电机 AGV1 无刷直流电动机的发展演变及在国内工控业界的应用现状在国外，电机大致沿着 AC交流异步电机直流无刷电机步进电机伺服电机 这样的演变流程在发展。因此对于各种电机的特性，国外的工程师往往比较了解，电机的采用主要根据最适合现场的标准来选择。我国的工业自动化，在改革开放后飞速发展起来。在90年代，伺服电机就已经被引入国内，广大的工控人士得以直接接触到了电机的最高端类型伺服电机。而在改革开发之前，我国工控业界马达使用类型较为单一，绝大部分的工程师都只知道和使用AC交流异步电机。中间类型的步进电机和直流无刷电机还没有来得及接触就应用到了伺服电机，马达的中间类型存在着一定的真空段，我们称这种现象叫做跳级。而实际应用中，很多场合使用直流无刷电机不仅成本下降较多，而且效果还不错，控制也相对伺服电机简单。提到直流无刷电机，那么就不得不提直流有刷电机。这里的“刷”实际上就是指“碳刷”，最早的直流电机都是带有“碳刷”的。碳刷是直流有刷电机中的关键性部件，主要起到电流的换向作用。然而其缺点也是较为突出：碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。而且碳刷存在磨耗问题，需要定期的更新碳刷，维护不方便。伴随着半导体工业的发展，使用电子换向的直流无刷电机应运而生。随着微处理机速度亦越来越快，人们可以将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小。像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。从目前直流电机的发展趋势来看，直流有刷电机逐步被淘汰，直流无刷电机成为直流电机的主流。2 无刷直流电动机简介直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：N=120*f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率f就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。无刷直流电动机是一种无级变速电机，它由一台同步电机和一组逆变桥所组成。它具有直流电机那样良好的调速特性，但是由于没有换向器，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，是一种理想的调速电机。 无刷直流电动机的构造一般是内藏检测转子位置用的磁气元件（霍尔IC）或光 学编码器。由此位置传感器向驱动电路发出信号。电动机线圈是 3 相星形结线。另外，转子使用永久磁钢。检测用的磁性元件是一般使用霍尔 IC，个别高档的直流无刷电机使用编码器。霍尔IC固定在定子的内侧，一般安装有 3个，转子转动时，即从霍尔 IC 输出数字信号。外形及内部构造： 3-无刷直流电动机的工作原理 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如下图 ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由变频器转成3相电压来驱动电机。变频器一般由6 个功率晶体管组成。6 个功率晶体管连接着电机，作为控制流经电机线圈的开关。 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据霍尔IC 感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器中功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔IC感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。基本上功率晶体管的开法请见下图示： 电动机线圈连接至有开关用的晶体管，晶体管有 6个，组成变频器。 上下的晶体管依一定顺序交互地重复 ON-OFF，转变线圈电流的方向。接下来说明运转的结构。 以上图的晶体管的开关程序执行 STEP1 时，晶体管是 Tr1 与 Tr6 为 ON 的状态。这时的线圈电流是从 U 相流到 W 相，U 相是被励磁成 N 极、而 W 相则被励磁成 S 极。因此，转子运转 30。此动作重复 12 次，转子运转1圈。4、直流无刷电机与其他电机相比的优势 A、小型化与异步感应电机比较由于将永久磁钢嵌入转子，实现小型高效率的无刷直流电动机。轻巧的设计，符合设备小型化的需求。具体以 的2款马达作对比： 120W直流无刷马达的长度只有90W异步交流电机的二分之一。同时直流无刷马达包含以过负载保护功能以及过电压保护功能为首的各种保护功能。在保护功能启动时会有警报输出产生。而异步交流电机基本上不具备这些功能。B、均匀转矩、卓越的速度稳定性 直流无刷电机能够比较电动机转速的反馈信号与设定速度，同时调整供应给电动机的电流。籍此稳定了马达速度，即使负载状况发生变化，仍旧可以以稳定的速度驱动。公司的BX系列的速度变动率甚至可以做到0.05%（对负载）。具体请参考下图: 直流无刷电机 AC交流异步调速电机 传送时间变化大,给设备的设计时序控制带来麻烦,还使设备的利用率降低,生产率下降。而无刷直流电动机即使负载有变化也能保持传送时间一定,给设备的设计带来方便,生产率也能保持稳定。 具体请参考下面的例子：C、马达与马达个体之间的速度变动率小。 直流无刷马达不仅个体本身的速度变动率小，而且个体之间的变动率也较小。特别适用于类似液晶面板这类对于马达之间速度变动率要求较高的行业。 在类似液晶面板传输的行业中，如果2个传输带之间的速度差异较大，就会产生一定的张力。此张力对于薄薄的液晶面板具有很大的破坏性。为了保证产品质量，要求转送带的速度稳定性好，选用无刷直流电动机能满足设备要求。D、最大输入电流实验比较: 变频器控制异步电动机最大启动电流为7A。而无刷直流电动机最大启动电流为3A(1/2以下)。变频器控制异步电动机与无刷直流电动机的最大输入电流相差较大,特别是电动机台数较多时,为了保证启动电流,将导致电源设备大容量化。此时无刷直流电动机具有优势。E、无刷直流电动机的温升低 直流无刷电机之所发热量低，在于其效率高。能量转换主要表示为热量加做功，当 做功的效率高时，温升自然就比较低。因此直流无刷电机非常适合使用在24小时连续运转的场合。具体的效率比请参考美国能源部对各种驱动电机效率的比较，如图所示： F、节省能源无刷直流电动机的转子使用永久磁钢，不会产生转子的二次损耗。具体请参考下图： 假设每套设备中使用的20台交流异步电动机用无刷机直流电动机取代，每台节能14.6W,每天工作24小时。每年可节约电能 2558 kWh （14.6W20台24小时365天） ，按照目前上海工业用电价 1.074元/度 的价格换算可以节约：2747元。同时相当于减少CO2排放1.4吨。无刷直流电动机的节能减排效果显著。G、与伺服电机的比较。 直流无刷电机与伺服电机的电动机本体相同（永磁转子、集中定子绕组），但是位置传感器不同。直流无刷采用霍尔IC（个别高档的也会采用低端的编码器）而伺服电机普遍采用光学编码器。因此直流无刷电机除了速度控制之外，无法做到伺服电机的位置控制、转矩控制等。 但是作为调速电动机使用时，除了快速响应及低速运行，可以用无刷电动机取代伺服电动机，而价格方面无刷电动机优势较大5、直流无刷电机应用行业： 由于直流无刷电机可以直接使用直流电源，因此在无人小车AGV、电瓶车行业应用较广。在牵引电机电瓶车行业，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。由于直流无刷电机的高效率、发热量低的特点，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、空气压缩机负载等行业。低速时段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。 由于直流无刷小型化，可以应用在对于马达尺寸要求较高的精密电子行业。目前东方马达公司的15W直流无刷马达可以做到42mm*42mm的法兰安装面。像一些医疗机械、半导体、测量等精密电子行业对于这类小尺寸的电机往往有着特殊的亲睐。6、结论： 目前直流无刷电机在国内工控市场的知名度不高、普及率较低。许多用户当变频器异步电动机满足不了要求时就盲目直接采用伺服电动机、而很多情况可以用价格低的无刷直流电动机实现。采用伺服电机类似大马拉小车，不仅控制相对复杂，而且也是