“無刷時代”——直流無刷電機

無刷電機是指無電刷和換向器的電機，又稱無換向器電機，它由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。直流無刷電機是經(jīng)過了許多次發(fā)展的結(jié)晶，回溯十九世紀時代，產(chǎn)生的實用性電機就是無刷形式，這種電機在當(dāng)時受到了廣泛應(yīng)用，但是新生品總有缺陷，所以電機技術(shù)發(fā)展緩慢。直到上世紀中葉晶體管的誕生，采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應(yīng)運而生了，它克服了第一代無刷電機的缺陷，被稱為電子換向式直流電機。

直流無刷電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。

電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。

驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。

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=60.f / p。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機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(dāng)負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。

 電源部可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(110v/220 v)，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換流器轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。換流器一般由6個功率晶體管(q1~q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)。

 控制部則提供pwm(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器換相的時機。

 直流無刷電機一般希望使用在當(dāng)負載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。

1、可替代直流電機調(diào)速、變頻器+變頻電機調(diào)速、異步電機+減速機調(diào)速;2、具有傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)點，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu);3、可以低速大功率運行，可以省去減速機直接驅(qū)動大的負載;4、體積小、重量輕、出力大;5、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小;6、無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力強;7、軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機械制動或電磁制動裝置;8、效率高，電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗，消除了多級減速耗，綜合節(jié)電率可達20%~60%。9、可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強，維修與保養(yǎng)簡單;10、耐顛簸震動，噪音低，震動小，運轉(zhuǎn)平滑，壽命長;11、不產(chǎn)生火花，特別適合爆炸性場所，有防爆型;12、根據(jù)需要可選梯形波磁場電機和正弦波磁場電機。

直流無刷電機的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天等等。總的來說，無刷直流電機可以分為以下三種主要用途:

持續(xù)負載應(yīng)用：主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機、吹風(fēng)機等一類的應(yīng)用，這類應(yīng)用成本較低且多為開環(huán)控制。
可變負載應(yīng)用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，對電機轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應(yīng)時間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機和壓縮機就是很好的例子，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動機控制等，這類應(yīng)用的系統(tǒng)成本相對更高些。
定位應(yīng)用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動控制方面的應(yīng)用屬于這個類別，這類應(yīng)用中往往會完成能量的輸送，所以對轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時可能會用上光電和一些同步設(shè)備。過程控制、機械控制和運輸控制等很多都屬于這類應(yīng)用。
實用性新型無刷電機是與電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)以及材料科學(xué)等發(fā)展緊密聯(lián)系的。它不僅限于交直流領(lǐng)域，還涉及電動、發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換和信號傳感等領(lǐng)域。在電機領(lǐng)域中新型無刷電機的品種是較多的，但性能優(yōu)良的無刷電機因受到價格的限制，其應(yīng)用還不十分廣泛。