无刷直流电动机发展综述_谭建成

1、电气技术发展综述无刷直流电动机发展综述微特电机专委会 谭建成无刷直流电动机是现代 电机技术和电子技术相结合的新型机电一体化电机无 刷直流电动机(B ur hs lse s D C m to ro )是随着半 导体 电子技术发展而出现的新型机 电一体化电机, 它 是现代 电子技术 (包括电力电子、 微 电子技术) 、 控制理论和 电机技术相结合的产物 。 无刷直流电动机采用半导体功率开关器件 (晶体管 、 M O S FE T 、 GI B T 、 IP M ), 用霍尔元件、 光敏元件等作位置传感器代替有刷直流 电机的换向器和 电刷 部分, 以电子换相代替机械换向, 从而提高了可靠性。 它的外

2、特性和一台有刷直流电动机相似。众所周知 , 直流电机具有优越 的调速性 能, 主要表现在调速方便 , 调速 范围宽 , 启动转矩大, 低速性能好 , 运行平稳 , 效率 高, 应用场合从工业到民用十分广泛 。 但是 , 直流电机以电刷和换向器进行机械换向, 在许多场合 下是 系统 不可靠的重要原 因。 从 2 0 世 纪 60 年代初 开始, 无刷直流电动机进入到应用阶段 。 无刷直流电动机最初是为宇航技 术开发的 , 19 46 年, 因其较 高的可靠性, 被美国国家航空航天局 (N A S A ) 首先 使用 , 如卫星姿态控制 、 太阳能电池板的跟踪控制 、 卫星上泵 的驱动等 。 后来

3、 , 它逐 步推广到其它 军事装备 、 工业 、 民用控制系统 以及家庭电器 中, 成 为很有发展前途的新一代电机产品 。无刷直流电动机由电机和 电子驱动器两部分组成 。 电机部分的结构和经 典的交流永磁同步电动机相似, 其定子上有多相绕组 , 转子上镶有永久磁铁 。 但 由于运行原理的需要 , 还要有转子位置传感器 。 位置传感器检测出转子磁场轴线和定子相绕组轴线的相对位置, 决定每一时刻相绕组的通 电状态 , 即决定电子驱动器多路输 出开关的开/ 断状态 , 接通/ 断开 电动机相应的相绕组 。 因此 , 无刷直流 电动机可看成是由专门的电子逆变器驱动的有位置传感器反馈控制的交流 同步电动

4、机。 从另一角度看, 无刷直流 电动机可看成是一个 定转 子倒置的直流电动 机。 普通直流 电动机的电枢绕组在转子上 , 永磁体则在定子上 。 有刷直流电动机的所谓换向, 实际上是其相绕组的换相过程 , 它是借助于电刷和换 向器来完成的。 而无刷直流电动机的相绕组的换相过程则是借助于位置传感器和逆变器的功率开关来完成的。 无刷直流 电动机 以电子换相代替了普通直流 电动机的机械换向, 从而无刷直流 电动机具有普通 直流电动机相似的线性机械特性和线性转矩/ 电流特性 , 因而被称为无刷 直流 电动机。2 面 向 3 C , 2 1 世纪是永磁无刷直流电动机广泛应用的世纪与直流电动机和异步 电动机

5、比较, 无刷直流 电动机的关键技术特 征是:( 1) 经 电子控制获得类 似直流电动机的运行特性, 有较好 的可控性 , 宽调速 范围:(2) 需要转子位 置反馈信息和电子多相逆变驱动器;()3 本质上是交流电动机, 由于没有电刷和 换向器的火花、 磨损问题 , 可工作于高速 ,可得到较高的可靠性 , 工作寿命长 , 无 需经常维护 :(4 )无刷 直流 电动机功率因数高 , 转子无损耗和发热 , 有较高 的效率 ; 有 资料对 比 , 7 . sk w 异步电动机效率为 68 4. % , 同容量的无刷 直流电动机效率可达 92 . 4 % 。一22 9 -电气技术发展综述(5 ) 必须有电

6、子控制部分 ,总成本比直流电动机高。尽管成本较高, 由于永磁无刷直流 电动机性能有明显的优势, 近年, 经业者的努力, 无刷直流 电动机市场 已不 断扩展 , 在许多领域的竞争中, 永磁无刷直流 电动机已经并正在不断地取代直流电动机和异步电动机, 获得越来越多的应用 。 永磁无刷直流电动机按驱动电流可分为方波驱动 和正弦波驱动 , 后者又称为同步型永磁交流伺服 电动机, 主要用于伺服控制。20世纪 80 年代才进入实用阶段的同步永磁交流伺服电动机是可与直流伺服电机性能匹敌的新型伺服 电机。 据国际电机会议专家分析, 交流伺服电动机正 以每年 巧% 的速度取代直流伺服电动机, 交流伺服 电动机将

7、会占据首位 , 其前景是极其美好的。 因此 , 国际上有电机专家断言, 21 世纪 是永磁 无刷直流电动机广泛推广应用的世纪。 特别是在小型电动机领域 , 无刷直流电动机将占据主导地位。现在,由于市场需要 的增长 , 面向 3 C (工业自动化、 办公 自动化、 家庭自动化 ), 永磁无刷直流电动机的功率覆盖范围早已突破微电机功率界限, 从毫瓦级到数十 kW , 主要应用领域包括:( )l 在计算机外 围设备 、 办公 自动化设备、 数码电子消费品中的应用从数量上说, 这是无刷直流 电动机应用最 多的领域 , 己 占据 了无 可取代的地位。 例如在数字打印机, 软盘驱动器 , 硬盘驱动器 ,

8、C D 一R O M 和 D V D 一R O M 等光盘驱动器, 传真机、复印机、 磁带记录仪、 电影摄影机、 高保真度录音机和 电唱机的主轴和 附属运动的控制等。无刷直流风机也在计算机外设和 办公 自动化设备 以及其他自动化仪器 设备中获得广泛应用 , 大量挤占了原来交流异步风机的市场。(2)在工 业驱动 、 伺服控制的应用同步永磁交流伺服 电机的伺服控制器部分 , 除开关管脉宽调制 (PW M ) 功率电路外, 还包括有专用集成电路, 或者微处理器对电机速度、 电流环进行控制、 进行各种失常情况的保护和故障自诊断。 这种新型电机的典型应用如火炮 , 雷达等军事装 备控制, 在数控机床、

9、组合机床的伺服控制, 在机器人关节伺服控制等。02 世纪 09 年代 以来, 在高精度 的机床数控设备进给伺服控制中相当多地采用 了同步永磁交流伺服 电机, 取代宽调速的直流伺服电机的势头强劲 。 近年来, 在新一 代数控机床的进给伺服控制中采用永磁 交流直线伺服电机, 采用 同步永磁交流伺服 电机代替变频异步电机作为机床的主轴直接驱动以提高数控机床快速性和加 工效率, 也 己成为新的研究和应用热点。 在军用和工业用机器人和机械手的驱动 中, 无刷直流 电机的应用相当广泛。 目前全世界机器人的拥有量己经超过 10 万台, 且每年以大于 2 0 %的速度增长 , 这 己经成为无刷直流电机的主要应

10、用领域之一 。大功率无刷直流电机 (一般采用晶闸管作为功率器件, 习惯上称为无换 向器电机 ) 在低速 、 环境恶劣和有一定调速性能要求的场合有着广泛的应用前景, 如钢厂的轧机、 水泥窑传动、 抽水蓄能等。近年出现的最新一代电梯无齿轮曳引机 , 是以同步永磁交流伺服 电动机为动力, 磁场定向矢量控制和快速电流跟踪控制的电梯驱动装置 , 它和有齿轮传动 的直流曳引机、 以异步电动机变频驱动 的交流曳引机相 比有更优异控制性能, 高效 率, 低噪声 , 小体积 , 轻重量, 迅速被国际知名电梯公司重视 , 纷纷开 发出 自己 的无齿轮曳引机电梯, 推向高端市场 。此外,同步永磁交流伺服 电机在纺织

11、机械、 印刷机械、 包装机械、 冶金机械、 邮政机械、一 2 3 0 -电气技术发展综述自动化流水生产线、 各种专用设备有广泛 的应用。(3 ) 在汽车产业的应用据美国市场 调查分析, 在每辆豪华轿车中, 需永磁电机 59 只, 一般轿车中也需 2 0 30 只 。 另一方 面汽 车节能 日渐受到重视 , 现代汽车要求电机改善性能 、 提高效率, 要扁平盘式结构, 以减小空间 , 提高 出力 , 消除火花干扰, 降低 噪音 , 延长寿命 , 便 于集中控制, 这正是无 刷电机的特长 。 预计 , 汽车用的有刷 电机将 不断被永磁无刷 电机所替代。在电动车、 电动摩托车、 电动 自行车等交通工具

12、 中用无刷直流电动机作为主动力驱动 电动机。 以环保为 目的的电动车中, 其牵引驱动电机以永磁无刷直流电动机最有发展前途 。(4 ) 在医疗设备领域的应用例如,高速 离心机 , 牙科和手术用 高速器具。 红外激光调制器用作热像仪, 测温仪器等。国外己有用于制作人工心脏驱动的小型血泵 , 植入人 体 内。( 5 ) 在家用 电器 中的应用目前, 以变频空调器 、 变频冰箱、 变频洗衣机为代表的变频家用 电器逐步进入我 国消费市场 。 而且变频家用 电器正在 由 “ 交流变频 ” 向俗称的 “ 直流变频 ” 转变, 已 是明显的发展趋势。 这种转变实际上就是变频家 电用变频空调压缩机、 变频冰箱压

13、缩机、 空调用室 内外风机、 空气清新换气扇 、 变频洗衣机所用 的电动机 , 过去是单相异步电动机或 V V V F 变频 器供电的异步电动机, 现 己被永磁无刷直流电动机及其控制器所取代。 这种 由 “ 交流变频 ” 向 “ 直流变频” 的转变使变频家用 电器在节能高效、 低噪音、 舒适性、 智能化等方面都有新的提高。 19 9 8 年至今我国变频 空调发展迅速 , 我国空调 开始 了直流化进程 。 直流无刷电机在较大的转速范围内可以获得较高的效率 , 更适合家 电的需要 , 日本的变频空调的全直流化早 已批量 生产。 我国的变频压缩机厂家 已开始采用直流无刷 电机来代替三相交流感应电机,

14、 将出现 以永磁无刷直流 电动机驱动压缩机和室 内外风机的所谓全直流化 空调 , 更节能, 更舒适 。此外, 在特殊环境条件下, 如潮湿 、 真空, 有害物质的场所 , 为提高系统的可靠性采用无刷直流电动机。 其中 , 军用和航天领域是无刷直流 电动机最先得到应用的领域 。3 推动无刷直流电动机技术和市场蓬勃发展的主要因素( l) 永磁无刷直流 电动机 自身性能的明显优势 , 在许多竞争领域中, 永磁无刷直流 电动机 己不断地取代直流电动机 和异步电动机,获得越来越广泛 的应用 。(2 ) 新型的高性能永磁材料技术的进步 、 半导体功率器件和专用控制集成电路的进展 、新控制策略 出现, 促进

15、永磁 无刷直流 电动机自身技术进步 。l)高性能永磁材料技术进展的促进现代无刷直流电动机都是以永磁激励的, 因此, 永磁材料 的进步对电动机影响很大 。 过去的铝镍钻永磁 已逐步被铁氧体永磁 、 稀土类永磁所取 代。 特别是 80 年代高磁能积的钦铁硼永磁的出现和改进 , 极大地推动 了永磁 电机的发展 。 它有高的性价 比, 随着其性能的提高和应用 问题的解决 , 特别 是价格的下降, 迅速在无刷直流 电动机得到大量应用 。 使无刷 直流 电动机在减小体积重量 , 提高功率密度 , 改善性能方面有 了明显 的进展 。 钱铁硼永磁使无齿槽结构的无刷直流电动机能够实现, 它具有消除齿槽效应 、

16、低转矩波动 、 低噪声 、 运行平稳 、低电磁干扰等特点 。 粘结型 、 注塑型铁氧体永磁和钦铁硼永磁近年 出现 , 使无刷直流 电动机一 23 1-电气技术发展综述在兼顾不同价格、 性能层次有更多的选择。2 ) 半导体功率器件进展的促进无刷直流电动机的原理构思早 己提出, 但只有到 了 02 世纪 06 年代半导体器件 出现才使无刷直流电动机进入实用阶段。 电力电子技术为电机控制驱动器主 电路提供最重要的功率半导体器件。 随着半导体器件的迅猛发展 , 从小功率晶体管, 到大功率晶体管 G T R , m O S FE T 、 IG B T 等新型 开关器件, 以及功率开关器件控制驱动技术的进

17、展 , 特别是近年崭新的功率模块、 智能功率模块 (IP m ) 的出现 , 完全改变 了无刷直流 电动机驱动器的面貌 , 减小了驱动器体积重量 , 提高了运行可靠性和改善了可控性, 更大大地扩大了无刷直流电动机的功 率和速度范围。3 ) 专用控制集成电路进展 的促进随着微电子技术的发展 , 各国半导体厂商不断地推出无刷 直流电动机专用控制集成 电路 , 解决了电机和 电子电路结合问题 , 也有利于控制器的小型化和可靠性的提 高。 特别是随着专用控制集成电路的批量生产 , 价格大幅度下降, 解决 了妨碍无刷直流 电动机向民用领域 发展的高价格问题 , 使无刷直流电动机的应用更方便 、 更容易推

18、广普及 。 随着电动机应用技术越来越复杂, 系统设计者正在通过利用 电动机控制集成 电路寻求开发工作的简化。 使用 电动机控制集成化的一个重要 因素是使应用者容易获得最佳的硬件一软件解决方案, 人们可用最 少的开发时间, 就 能迅速将其最终产品推向市场销售。 各 国电子元件制造商瞄准 无刷 直流电动机这一 巨大市场, 十分重视无刷直流电动机专用控制集成 电路芯片的开发和生产 , 如美国的国家半导体公司、 摩托 罗拉公司 、 德州仪器公司、 仙童 公司、 无线 电公司, 日本的东芝公司、三洋公司、 松下 公司、 日立公司 、 三菱公司 , 还有德国、 英国、 法国、 荷兰 、 意大利等国家的公司

19、等。()3 各行各业对节能 、 调速控制要求 日益迫切 , 特别是在工业驱动和家用 电器驱动领域 , 节能高效是环保要求, 效能指标己逐步成 为市场准入条件, 甚至被接纳为国家标准、 国际标准 ,使有较高效率的无刷直流电动机被整机设计者采纳、 应用 。4 无刷直流 电动机技术发展动 向4 .1 产品向专用化、 多样化方向发展设计制造各种特殊结构、 特定用途的无刷直流 电动机, 在设计、 结构和工艺新技术方面不断创新, 以适应不同整机市场的需求 , 例如: 适应不 同性能参数永磁材料, 瓦 型、 环型表面粘接结构和各种不 同设计嵌入式内磁体结构等新的转子磁路结构出现 , 出现各种外转子 、轴向气

20、隙 (平面 电机)、无齿槽结构电机等。无论是采用铁氧体永磁还是稀土永磁的永磁无刷直流电动机, 常见的永磁转子结构都 是表面粘贴式 (S Pm )。 近年, 日本各知名家电厂商在新一代变频 空调压缩机的永磁 无刷直流 电动机中, 分别采用了各自的专利转子 结构 , 嵌入式永磁 (IP m ) 转子 结构 己成为主流 。 IP m 转子结构的电动机可 得到较 高的效率, 增强转子抗高速离心力能力。一 2 3 2 -电气技术发展综述4 .2 通过结构和工艺创新, 使生产自动化、 规模化 , 产品向低成本、 低价格方向发展由于电子换相 电路的成本高于机械换向器 , 因而使无刷直流电动机的成本及售 价增

21、加 , 无刷直流 电动机的价格是限制其应用扩展到民用产 品领域的主要 因素 。 针对国内外汽车行业、家电行业及办公 自动化领域对低成本无刷直流电动机需求量越来越大的现状 , 新型永磁 无刷直流 电动机应结构简单、 制作容易 、 性能可靠 、 控制方便 、 成本低廉 , 以便适用于工业控制特别是各类 民用产 品的领域 。在结构和 工艺革新的例子 : 分割型定子铁心结构和连续绕线工艺方法的采用 。 对于节距 y = l 分数槽设计 , 用专用绕线机直接绕制定 子线圈, 对 于外转子结构的电机 比较方便; 但对于内转子结构 的电机, 特别是定子 内径小的小功率电机, 就要 困难得多 了。 为此 ,

22、一些分割型定子铁心 结构的构思提出来了。 这种分割型定子铁心结构工艺技术使永磁无刷直流电动机生产 实现高效率 、 大批量、 自动化 , 日本有多家厂商效法 , 推 出 自己专利的定子铁心分割方案。 这一技 术己开始引起 国内个别厂家关注 , 并进行探索试验 。目前 , 在 r 领域 , 例 如软盘、 硬盘 、 光盘驱动器 、 D V D 、 C D 主轴驱动器使用的无刷直流 电动机由于市场竞争, 大规模生产 , 价格 已经相 当低 了。4 .3 在电机设计方面 , 分数相技术在永磁无侧直流电动机的应用 日益增多无 刷直流电动机采用分数槽技术有如下一些好处 :( )1 对 于多极 的无刷电动机可

23、采用较少 的定子槽数 , 有利于槽满率的提高, 进而提高电动机性能 ;同时, 较少数 目的元件 数, 可简化嵌线工艺和接线, 有助于降低成本。 (2 ) 增加绕组的短 (长 ) 距和分布效应 , 改善反 电势波形 的正弦性。( 3) 有 可能得到线圈节距 y 二 l 的设计 (集 中绕组 ), 每个线圈只绕在一个齿上 , 缩短了线圈周长和绕组端部伸 出长度 , 减低用铜量; 各个线圈端部没有重叠 , 不必设相间绝缘 。(4) 有可 能使用专用绕线机 , 直接将线圈绕在齿上 , 取代传统嵌线工艺, 提高工效;(5 ) 提高电动机性能。 槽满率的提高 , 线圈周长和绕组端部伸 出长度的缩短 , 使

24、 电动机绕组 电阻减 小 , 铜损随之也减低 , 进而提高电动机效率和 降低温 升。(6 ) 降低齿槽反应 转矩 , 有利于减少振动和噪声 。总 之 ,分数槽技术的应用有利于无刷 电动机的节能、 节材、 小型化 、 轻量化 、 省时、 生产 自动化 ,从而可降低产品成本, 增强产品竞争力。4 .4 性能更加优越的 D s(P 数字信号处理器)电机控制器的应用增多就 系统 的控制器 而言, 因运动控制系统是快速系统 , 特别是交流电机高性能的控制需要实时快速处理多种信 号, 为进 一步提高控制系统的综合性 能, 近 几年国外一些大公司纷纷推出较 m C U (单片微控制器 ) 性能更加优越的 D

25、 S (P 数字信号处理器)单片电机控制器 , 如 A D I的 A D m C 3 x x 系列 , T l 的 T m S 3 2 OC 2 4 系列及 m o to r o la 的 D S P5 6 F8 x x 系列 。 都是由一个 以D SP 为基础的 内核 , 配以电机控制所需 的外 围功能 电路 , 集成在单一芯片 内, 使价格大大降低 , 体积缩 小, 结构紧凑 , 使用便捷 , 可靠性提高。 现 D S P 的最大速度 可达 加 4 Om PI S 以上 , 指令执行时间或完成一次动作的时 间快达几十纳秒 , 它和普通 的 m C U 相 比 , 运算及处理能力增强 01

26、一 5 0 倍 , 确保系统有更优越的控制性 能。电气技术发展综述4 。5按照无刷直流电动机工作原理 , 必须要有转子磁极位置信号来决定电子开关的换相 。 目前 , 大多数采用安装位置传感器 (例如霍尔元件 ) 方法来得到这些信号 , 缺点是 占用电机一些空间、 安装位置对准、 需较多引出线、 影响可靠性。 在某些场合 , 如压缩机内有高温高压环境, 不允许安放霍尔元件。 为此 , 2 0 世纪 08 年代以来, 因微机控制技术的发展 , 出现了各种称为无位置传 感器控制技术方法, 是 当代无刷直流 电动机控制研 究热 点之一 , 它从电子电路以软件方法获得转子磁极位 置信号, 实现电子换相

27、。 在诸多方法 中, 以反 电势法较成功。它检测不激励相绕组的反 电势过零 点, 经过运算后 , 决定换相时刻。 这也是硬件软件化的一个成功例子 。4 .6正孩彼控侧方式更被关注如前所述, 无刷直流电动机的电子换相控制模式分为两大类: 方波驱动和正弦波驱动 。就其位置传感器和控制电路而 言, 方波驱动相对简单、 价廉而得到广泛应用 , 是 目前绝大多数无刷直流 电动机的驱动方式; 正弦波驱动需要高分辩率位置传感器, 如旋转变压器 、 光 电编码器 , 控制电路相对复杂, 成本较高。 正弦波驱动是借助高分辩率位 置传感器作用 , 以强制提供正弦波相电流为特征的无刷直流电动机电子换相方法。 与方波驱动相 比, 它具有低转矩波动 、 平滑的运动 、 小的可闻噪声, 和容易利用领先角技术实现弱磁控制 , 拓宽调速范 围等优点。 过去主要用于军工及 工业要求较高的伺服系统 。 高速 m C U 和 D S P 控制器的普及应用和价格大幅度降低 , 使性能优异的正弦波电流控制方式在价格方面的限制得到缓解 , 更受关注 。 例如, 西 门子公司早期开发的 IF5 系列方波电流控制方式的无刷直流电动机现在已经停止生产, 代之 以正弦波电流控制方式的 IF6 系列 。近年出现的新一代或称简易位置传感器正弦