無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及其優(yōu)勢
節(jié)能減排是全球的嚴(yán)峻課題、國家發(fā)展改革委員會于2005年6月1日啟動(dòng)了《節(jié)能中長期 專項(xiàng)規(guī)劃》十大重點(diǎn)節(jié)能工程，其中的一項(xiàng)就是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程。在“十一五”期間，實(shí)現(xiàn)電 機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率提高2個(gè)百分點(diǎn)、節(jié)電能力200億千瓦時(shí)。目前中國的各類電動(dòng)機(jī)總?cè)萘考s5．8 億千瓦，占全國總耗電量的60％以上，其中交流電動(dòng)機(jī)占90％左右、整體運(yùn)行效率比先進(jìn)國家低 10％以上。提高電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率具有重要意義。
無刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種高效率速度控制電動(dòng)機(jī)引人注目、但市場的知名度還小高。許多用 戶在設(shè)備用電動(dòng)機(jī)的選擇上經(jīng)常出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象。比如為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能、當(dāng)變頻器控制的 異步電動(dòng)機(jī)滿足不了要求時(shí)就盲目的選用昂貴的伺服電動(dòng)機(jī)、其中有些情況完全可以用價(jià)格較低 的無刷直流電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
下面對小功率交流電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)的各種性能進(jìn)行了較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)比較、結(jié)果表明無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，還具有比變頻器控制異步電機(jī)優(yōu)良的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，具有比伺服電機(jī)低的價(jià)格l／3。除了精密位置控制，低速運(yùn)行和快速啊應(yīng)的要求以外，很多情況下無刷電機(jī)可以滿足設(shè)備的要求。
本文的目的是使用戶進(jìn)一步理解無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，掌握無刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢，為更 當(dāng)理的選擇電動(dòng)機(jī)提供參考。
1無刷直流電動(dòng)機(jī)與伺服電動(dòng)機(jī)的不同
無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與伺服電動(dòng)機(jī)相同，若使用相同的材料則電動(dòng)機(jī)的性能也相同。其主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子位置傳感器和電流傳感器。如圖l所示。由于傳感器的不同、伺服電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)位置控制、低速運(yùn)行、轉(zhuǎn)矩控制功能。除了這些功能以外、無刷直流電動(dòng)機(jī)的性能可以與伺服毛動(dòng)機(jī)媲美、而價(jià)格方面無刷直流電動(dòng)機(jī)具有很大優(yōu)勢。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器采用霍爾Ic、而伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器采用高分辨率的編碼器、能準(zhǔn)確的檢測轉(zhuǎn)子的位置、實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行及高精度的位置控制。但是編碼器與霍爾Ic相比價(jià)格昂貴、伺服電動(dòng)機(jī)追求高輸出采用高磁能積磁鋼、這些因素進(jìn)一步增加了伺服電動(dòng)機(jī)的價(jià)格。
圖2表示伺服電動(dòng)機(jī)的框圖。伺服電動(dòng)機(jī)利用編碼器檢測的轉(zhuǎn)子位置信號以及電流傳感器檢測的2相電流通過矢量控制法對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速度控制和位置控制。由于裝載了編碼器和電流傳感器，電動(dòng)機(jī)功能增加的同時(shí)，電使價(jià)格也昂貴了。
圖3代表輸出功率為200w的無刷直流電動(dòng)機(jī)與伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的特性比較。圖中的數(shù)字代表當(dāng)無刷直流電動(dòng)機(jī)的特性為i時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)特性的倍數(shù)。
電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、重量、****慣性方面伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)勢較大，在電動(dòng)機(jī)效率速度穩(wěn)定性****轉(zhuǎn)速方面相差無幾，價(jià)格方面伺服電動(dòng)機(jī)是無刷直流電動(dòng)機(jī)的3．3倍。若以速度穩(wěn)定性為選自基準(zhǔn)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)與無刷直流電動(dòng)機(jī)性能差別不大，而價(jià)格上無刷直流電動(dòng)優(yōu)勢較大。
既當(dāng)重視電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)或進(jìn)行位置控制時(shí)選擇伺服電動(dòng)機(jī)是必要地。而在其它用途上，選擇無刷直流電動(dòng)機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)相同的特性和功能，而使裝置的成本降低。例如在印刷機(jī)中可以看到用伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)油刷子動(dòng)作的事例，如果是為了速度穩(wěn)定性而選用了伺服電動(dòng)機(jī)的話，選用無刷直流電動(dòng)機(jī)也是可行的。
2變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)與無刷直流電動(dòng)機(jī)的不同
在設(shè)備上使用的調(diào)速電動(dòng)機(jī)中，變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的較多。另外，認(rèn)為變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能而選用的事例也不少。然而對變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)的特性在充分理解的基礎(chǔ)上采用的事例很少。所以加深對變頻器的理解，選擇適合設(shè)備的電動(dòng)機(jī)是必要的。下面用具體數(shù)據(jù)對變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)的特性，對比無刷直流電動(dòng)機(jī)特性加以說明。
2 1變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)與無刷直流電動(dòng)機(jī)的效率
圖4表示額定功率40w的變頻器與無刷直流電動(dòng)機(jī)的各種負(fù)載情況下的電動(dòng)機(jī)損耗。圖中，數(shù)值[w]=變頻器的損耗[w】無刷直流電動(dòng)機(jī)的損耗fw]。
由圖4可以看出從低速到高速，從額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩到輕載的各種運(yùn)行情況下，無刷直流電動(dòng)機(jī)的損耗都低于變頻器，其****差值達(dá)14．6w。假設(shè)每套裝置中使用20臺電動(dòng)機(jī)，每天丁作24小時(shí)，其節(jié)能效果計(jì)算如下。
即1年減少電力消耗2560kw，相當(dāng)于節(jié)約金額約56000日元，co2減少約l.4 t(1 kwh=22 43日元)。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的效率比變頻器的效率高的主要原因是，變頻器控制用的電動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)，為了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子中有2次電流。而無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場由****磁鋼提供，轉(zhuǎn)子中不需要2次電流，不存在由2次電流引起的損耗。另為無刷直流電動(dòng)機(jī)利用傳感器檢測的磁極位置信號控制電動(dòng)機(jī)的通電狀態(tài)，無論在額定轉(zhuǎn)速還是O轉(zhuǎn)速都能保證繞組產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子磁場正交，實(shí)現(xiàn)了用最小的電流產(chǎn)生****的電磁轉(zhuǎn)矩。并目，能隨著負(fù)載的變化控制電流的大小，在輕載時(shí)只需要很小的電流，所以在低速小轉(zhuǎn)矩情況下與異步電動(dòng)機(jī)的損耗差別更明顯。
3變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)與無刷直流電動(dòng)機(jī)的特性
變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)與無刷直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)的特性方面有很大差別。
以圖5所示的傳送帶為例，介紹變頻器與無刷直流電動(dòng)機(jī)的差別。
假設(shè)傳送速度v=150～750 mm／s，搬運(yùn)重量O～10 kg。電動(dòng)機(jī)的選擇如下：
1)若選用變頻器，系統(tǒng)構(gòu)成：變頻器-40w異步電動(dòng)機(jī)十1／7 5齒輪2)若選用無刷直流電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)構(gòu)成：40w無刷直流電動(dòng)機(jī)+1／10齒輪兩種構(gòu)成方案的比較如表1所示。
3 1對負(fù)載的轉(zhuǎn)速變化率
當(dāng)傳送帶的速度分別為150mm/s、400mm／s、750mm／s，搬送重量為150mm/動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率的實(shí)測值近似為0。變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率的實(shí)測值如表2所示。
由表2可以看出，傳送重量及傳送速度設(shè)定的不同，速度變化也不同，其變動(dòng)范圍為28mm/s～84 mm/s，****變化率為一37．6％，這意味著由負(fù)載的變化使工作效率降低了約％30。
3 2對溫度的轉(zhuǎn)速變化率
由實(shí)驗(yàn)測得的在不同負(fù)載下電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對應(yīng)速度到溫度飽和時(shí)對應(yīng)的速度如下所示。無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率的實(shí)測值近似為O。變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率的實(shí)測值如表3所示。
結(jié)果表明，變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)對溫度的轉(zhuǎn)速變化也很大，****轉(zhuǎn)速變化率達(dá)一22．3％。
溫度變化引起轉(zhuǎn)速變化的主要原因是由于異步電動(dòng)機(jī)阻抗隨溫度變化引起的。當(dāng)溫度上升時(shí)阻抗增加，電動(dòng)機(jī)的輸入減小滑差變大，使速度變化增加。
實(shí)際上，由負(fù)載引起的速度變化和由溫度引起的速度變化同時(shí)產(chǎn)生，從起動(dòng)時(shí)f常溫狀態(tài))到運(yùn)行中f高溫狀態(tài))的變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)的速度變化如表4所示。
將表4用圖表示如圖6。可以看出，轉(zhuǎn)速越低，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，速度變化率越大。對于速度范圍大，負(fù)載變化劇烈的用途，將產(chǎn)牛速度變動(dòng)過大，對裝置的時(shí)序管理帶來影響。
例如對l 5m長的傳送帶設(shè)定速度150mm，s，輕載時(shí)傳送時(shí)間為10 s。lO kg負(fù)載時(shí)傳送時(shí)間將需要21 s。由于重量的變化引起傳送速度變化，傳送同樣的距離需要1倍以上的時(shí)間，既隨著重量的變化傳送 時(shí)間也變化，不儀給設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來麻煩，還使設(shè)備的運(yùn)用率降低，生產(chǎn)率下降。而無刷直流電動(dòng)機(jī)即使負(fù)載有變化轉(zhuǎn)速也能保持一定，給設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來方便，生產(chǎn)率也能保持一定。
3.3調(diào)速范圍和速比
表5給出了變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍和速比。
變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為200r/min 2400r，min(轉(zhuǎn)速比1：12)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的 專速范圍為80r，min 4000r，min(轉(zhuǎn)速比1：50)。
無刷直流電動(dòng)機(jī)與變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)相比，調(diào)速范圍寬，對于要求從低速到高速任意變 化的用途(例如搬運(yùn)系統(tǒng)中的緩慢送出，高速返同等用途)，無刷直流電動(dòng)具有較大的優(yōu)勢。
3 4溫升
表6給出了額定運(yùn)行和間斷運(yùn)行狀況F的無刷直流電動(dòng)機(jī)與變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)表面溫升 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
與變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)相比， 無刷直流電動(dòng)機(jī)的溫升得到了抑制。一般電動(dòng)機(jī)使用環(huán)境的溫度f一限為40℃。在此環(huán)境下使用變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)表面的溫度將達(dá)到75 6℃，按一般的安全規(guī)格(EN60950cI 4 5 4)的要求，將被判為危險(xiǎn)溫度，在電機(jī)表面必須貼上燙傷注意警告。可見在溫升方面無刷直流電動(dòng)也具有較大的優(yōu)勢。
3 5****輸入電流
關(guān)于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的****輸入電流，變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)為7A，而無刷直流電動(dòng)機(jī)為3A。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的****輸入電流小的主要原因是，無刷直流電動(dòng)機(jī)采用速度閉環(huán)控制，利用指令轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差調(diào)節(jié)加于電動(dòng)機(jī)的電壓，并且利用位置傳感器的磁極位置信號控制電動(dòng)機(jī)的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了用最小的電流產(chǎn)生****的電磁轉(zhuǎn)矩。因此起動(dòng)時(shí)變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)與無刷直流電動(dòng)機(jī)的****輸入電流相差較大，特別是電動(dòng)機(jī)臺數(shù)多時(shí)，為了保證起動(dòng)電流，將導(dǎo)致電源設(shè)備大容量化。
4總結(jié)
無刷直流電動(dòng)機(jī)與伺服電動(dòng)機(jī)相比，作為調(diào)速電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，除了低速運(yùn)行以外，其特性基本相同，而價(jià)格為伺服電動(dòng)機(jī)的1／3，價(jià)格優(yōu)勢很大。在有些設(shè)備和裝置中，選用無刷直流電動(dòng)機(jī)也可以圓滿實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的要求。所以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的用途，設(shè)備及裝置的精度等來選擇最合適的電動(dòng)機(jī)是必要的。
無刷直流電動(dòng)機(jī)與變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)相比，在電動(dòng)機(jī)的效率，溫升，轉(zhuǎn)速變化率等方面有明顯優(yōu)勢。表7是無刷直流電動(dòng)機(jī)與變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)主要特性的比較。
對于設(shè)備中的電動(dòng)機(jī)速度需要控制的用途，有時(shí)選用變頻器控制異步電動(dòng)機(jī)難以滿足性能或精度的要求，特別是近年來，類似于搬運(yùn)物的均勻表面處理的用途，速度穩(wěn)定性成為重要的技術(shù)指標(biāo)。滿足這些要求，選用無刷直流電動(dòng)機(jī)是很有效的。
相信今后無刷直流電動(dòng)機(jī)作為高效率速度控制電動(dòng)機(jī)將在各個(gè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn) 國家發(fā)展改革委員會節(jié)能rp長期專項(xiàng)規(guī)劃，2005
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