無刷直流電動機的特點及其優(yōu)勢
節(jié)能減排是全球的嚴峻課題、國家發(fā)展改革委員會于2005年6月1日啟動了《節(jié)能中長期 專項規(guī)劃》十大重點節(jié)能工程，其中的一項就是電機系統(tǒng)節(jié)能工程。在“十一五”期間，實現(xiàn)電 機系統(tǒng)運行效率提高2個百分點、節(jié)電能力200億千瓦時。目前中國的各類電動機總?cè)萘考s5．8 億千瓦，占全國總耗電量的60％以上，其中交流電動機占90％左右、整體運行效率比先進國家低 10％以上。提高電動機系統(tǒng)的運行效率具有重要意義。
無刷直流電動機作為一種高效率速度控制電動機引人注目、但市場的知名度還小高。許多用 戶在設備用電動機的選擇上經(jīng)常出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象。比如為了實現(xiàn)設備的功能、當變頻器控制的 異步電動機滿足不了要求時就盲目的選用昂貴的伺服電動機、其中有些情況完全可以用價格較低 的無刷直流電動機來實現(xiàn)。
下面對小功率交流電動機、無刷直流電動機、伺服電動機的各種性能進行了較詳細的實驗比較、結果表明無刷直流電動機不僅具有高效節(jié)能的特點，還具有比變頻器控制異步電機優(yōu)良的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，具有比伺服電機低的價格l／3。除了精密位置控制，低速運行和快速啊應的要求以外，很多情況下無刷電機可以滿足設備的要求。
本文的目的是使用戶進一步理解無刷直流電動機的特點，掌握無刷直流電動機的優(yōu)勢，為更 當理的選擇電動機提供參考。
1無刷直流電動機與伺服電動機的不同
無刷直流電動機的結構與伺服電動機相同，若使用相同的材料則電動機的性能也相同。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、伺服電動機可以實現(xiàn)位置控制、低速運行、轉(zhuǎn)矩控制功能。除了這些功能以外、無刷直流電動機的性能可以與伺服毛動機媲美、而價格方面無刷直流電動機具有很大優(yōu)勢。
無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器采用霍爾Ic、而伺服電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器采用高分辨率的編碼器、能準確的檢測轉(zhuǎn)子的位置、實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速運行及高精度的位置控制。但是編碼器與霍爾Ic相比價格昂貴、伺服電動機追求高輸出采用高磁能積磁鋼、這些因素進一步增加了伺服電動機的價格。
圖2表示伺服電動機的框圖。伺服電動機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)矩進行控制進而實現(xiàn)速度控制和位置控制。由于裝載了編碼器和電流傳感器，電動機功能增加的同時，電使價格也昂貴了。
圖3代表輸出功率為200w的無刷直流電動機與伺服電動機產(chǎn)品的特性比較。圖中的數(shù)字代表當無刷直流電動機的特性為i時伺服電動機特性的倍數(shù)。
電機的起動轉(zhuǎn)矩、重量、****慣性方面伺服電動機優(yōu)勢較大，在電動機效率速度穩(wěn)定性****轉(zhuǎn)速方面相差無幾，價格方面伺服電動機是無刷直流電動機的3．3倍。若以速度穩(wěn)定性為選自基準時，伺服電動機與無刷直流電動機性能差別不大，而價格上無刷直流電動優(yōu)勢較大。
既當重視電動機的響應或進行位置控制時選擇伺服電動機是必要地。而在其它用途上，選擇無刷直流電動機也可以實現(xiàn)相同的特性和功能，而使裝置的成本降低。例如在印刷機中可以看到用伺服電動機來驅(qū)動油刷子動作的事例，如果是為了速度穩(wěn)定性而選用了伺服電動機的話，選用無刷直流電動機也是可行的。
2變頻器控制的異步電動機與無刷直流電動機的不同
在設備上使用的調(diào)速電動機中，變頻器控制的異步電動機應用的較多。另外，認為變頻器控制的異步電動機高效節(jié)能而選用的事例也不少。然而對變頻器控制的異步電動機的特性在充分理解的基礎上采用的事例很少。所以加深對變頻器的理解，選擇適合設備的電動機是必要的。下面用具體數(shù)據(jù)對變頻器控制的異步電動機的特性，對比無刷直流電動機特性加以說明。
2 1變頻器控制異步電動機與無刷直流電動機的效率
圖4表示額定功率40w的變頻器與無刷直流電動機的各種負載情況下的電動機損耗。圖中，數(shù)值[w]=變頻器的損耗[w】無刷直流電動機的損耗fw]。
由圖4可以看出從低速到高速，從額定負載轉(zhuǎn)矩到輕載的各種運行情況下，無刷直流電動機的損耗都低于變頻器，其****差值達14．6w。假設每套裝置中使用20臺電動機，每天丁作24小時，其節(jié)能效果計算如下。
即1年減少電力消耗2560kw，相當于節(jié)約金額約56000日元，co2減少約l.4 t(1 kwh=22 43日元)。
無刷直流電動機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機為異步電動機，為了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子中有2次電流。而無刷直流電動機的轉(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。另為無刷直流電動機利用傳感器檢測的磁極位置信號控制電動機的通電狀態(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，實現(xiàn)了用最小的電流產(chǎn)生****的電磁轉(zhuǎn)矩。并目，能隨著負載的變化控制電流的大小，在輕載時只需要很小的電流，所以在低速小轉(zhuǎn)矩情況下與異步電動機的損耗差別更明顯。
3變頻器控制的異步電動機與無刷直流電動機的特性
變頻器控制的異步電動機與無刷直流電動機在電動機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機的差別。
假設傳送速度v=150～750 mm／s，搬運重量O～10 kg。電動機的選擇如下：
1)若選用變頻器，系統(tǒng)構成：變頻器-40w異步電動機十1／7 5齒輪2)若選用無刷直流電動機，系統(tǒng)構成：40w無刷直流電動機+1／10齒輪兩種構成方案的比較如表1所示。
3 1對負載的轉(zhuǎn)速變化率
當傳送帶的速度分別為150mm/s、400mm／s、750mm／s，搬送重量為150mm/動的實驗結果如下。
無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速變化率的實測值近似為0。變頻器控制的異步電動機的轉(zhuǎn)速變化率的實測值如表2所示。
由表2可以看出，傳送重量及傳送速度設定的不同，速度變化也不同，其變動范圍為28mm/s～84 mm/s，****變化率為一37．6％，這意味著由負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
由實驗測得的在不同負載下電動機起動時對應速度到溫度飽和時對應的速度如下所示。無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速變化率的實測值近似為O。變頻器控制的異步電動機的轉(zhuǎn)速變化率的實測值如表3所示。
結果表明，變頻器控制的異步電動機對溫度的轉(zhuǎn)速變化也很大，****轉(zhuǎn)速變化率達一22．3％。
溫度變化引起轉(zhuǎn)速變化的主要原因是由于異步電動機阻抗隨溫度變化引起的。當溫度上升時阻抗增加，電動機的輸入減小滑差變大，使速度變化增加。
實際上，由負載引起的速度變化和由溫度引起的速度變化同時產(chǎn)生，從起動時f常溫狀態(tài))到運行中f高溫狀態(tài))的變頻器控制異步電動機的速度變化如表4所示。
將表4用圖表示如圖6�？梢钥闯�，轉(zhuǎn)速越低，負載轉(zhuǎn)矩越大，速度變化率越大。對于速度范圍大，負載變化劇烈的用途，將產(chǎn)牛速度變動過大，對裝置的時序管理帶來影響。
例如對l 5m長的傳送帶設定速度150mm，s，輕載時傳送時間為10 s。lO kg負載時傳送時間將需要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倍以上的時間，既隨著重量的變化傳送 時間也變化，不儀給設備的設計帶來麻煩，還使設備的運用率降低，生產(chǎn)率下降。而無刷直流電動機即使負載有變化轉(zhuǎn)速也能保持一定，給設備的設計帶來方便，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機和無刷直流電動機的調(diào)速范圍和速比。
變頻器控制異步電動機的轉(zhuǎn)速范圍為200r/min 2400r，min(轉(zhuǎn)速比1：12)。無刷直流電動機的 專速范圍為80r，min 4000r，min(轉(zhuǎn)速比1：50)。
無刷直流電動機與變頻器控制異步電動機相比，調(diào)速范圍寬，對于要求從低速到高速任意變 化的用途(例如搬運系統(tǒng)中的緩慢送出，高速返同等用途)，無刷直流電動具有較大的優(yōu)勢。
3 4溫升
表6給出了額定運行和間斷運行狀況F的無刷直流電動機與變頻器控制異步電動機表面溫升 的實驗結果。
與變頻器控制異步電動機相比， 無刷直流電動機的溫升得到了抑制。一般電動機使用環(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機時，電動機表面的溫度將達到75 6℃，按一般的安全規(guī)格(EN60950cI 4 5 4)的要求，將被判為危險溫度，在電機表面必須貼上燙傷注意警告�？梢娫跍厣矫鏌o刷直流電動也具有較大的優(yōu)勢。
3 5****輸入電流
關于電動機起動時的****輸入電流，變頻器控制異步電動機為7A，而無刷直流電動機為3A。
無刷直流電動機的****輸入電流小的主要原因是，無刷直流電動機采用速度閉環(huán)控制，利用指令轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差調(diào)節(jié)加于電動機的電壓，并且利用位置傳感器的磁極位置信號控制電動機的通電狀態(tài)，實現(xiàn)了用最小的電流產(chǎn)生****的電磁轉(zhuǎn)矩。因此起動時變頻器控制異步電動機與無刷直流電動機的****輸入電流相差較大，特別是電動機臺數(shù)多時，為了保證起動電流，將導致電源設備大容量化。
4總結
無刷直流電動機與伺服電動機相比，作為調(diào)速電動機使用時，除了低速運行以外，其特性基本相同，而價格為伺服電動機的1／3，價格優(yōu)勢很大。在有些設備和裝置中，選用無刷直流電動機也可以圓滿實現(xiàn)對設備的要求。所以根據(jù)電動機的用途，設備及裝置的精度等來選擇最合適的電動機是必要的。
無刷直流電動機與變頻器控制異步電動機相比，在電動機的效率，溫升，轉(zhuǎn)速變化率等方面有明顯優(yōu)勢。表7是無刷直流電動機與變頻器控制異步電動機主要特性的比較。
對于設備中的電動機速度需要控制的用途，有時選用變頻器控制異步電動機難以滿足性能或精度的要求，特別是近年來，類似于搬運物的均勻表面處理的用途，速度穩(wěn)定性成為重要的技術指標。滿足這些要求，選用無刷直流電動機是很有效的。
相信今后無刷直流電動機作為高效率速度控制電動機將在各個領域得到更廣泛的應用。
參考文獻 國家發(fā)展改革委員會節(jié)能rp長期專項規(guī)劃，2005
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