無刷直流電動機的發(fā)展與應(yīng)用
強曼若（上海城市建設(shè)學(xué)院200092）
【摘 要】介紹無刷直流電動機的發(fā)展歷史，根據(jù)其特點，重點分析其應(yīng)用前景，并針對市場發(fā)展，分析我國無刷直流電動機開發(fā)現(xiàn)狀和存在問題，最后對其今后發(fā)展進行預(yù)測。
【敘 詞】刷直流電動機發(fā)展史特點．應(yīng)用
1概述
有刷直流電機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，機械電刷卻是有刷直流電機的一個致命的弱點。為此，早在1917年，Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流電機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電機的基本思想。1955年，美國D．Harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，標志著現(xiàn)代無刷電機的誕生。
近40年來，由于電機本體及其相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展，“無刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換向的直流電機發(fā)展到泛指一切具有有刷直流電機外部特性的電子換向電機。刷直流電機的發(fā)展亦使得電機理論與大功率開關(guān)器件、模擬和數(shù)字專用集成電路、微處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能材料的結(jié)合更加緊密。如今無刷直流電機集特種電機、變速機構(gòu)、檢測元件、控制軟件與硬件于一體，形成為新一代電動伺服系統(tǒng)，且體覡著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多****成果，因此是機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)物。
無刷直流電機真正進入實用階段應(yīng)從1978年開始，當(dāng)時原西德MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿(mào)易博覽會上，正式推出MAC經(jīng)典無刷直流電機及其驅(qū)動器。80年代在國際上開展了深入的研究，先后研制成方波無刷電機和正弦波無刷直流電機，在10多年的時間里，無刷直流電機在國際上已得到較為充分的發(fā)展，在一些較為發(fā)達的國家里，無刷直流電機將在未來的幾年中成為主導(dǎo)電機，并逐步取代其它類型的電機。
無刷直流電機在近10年里得到迅速推廣應(yīng)用的另一個原因，是由于電力電子技術(shù)和集成控制技術(shù)高速發(fā)展的結(jié)果，性能優(yōu)良、價格低廉的電子元器件為制造無刷直流電機創(chuàng)造了基本條件。80年代初期，電機本體與換向驅(qū)動電路的價格比大約為1：10，而當(dāng)今已降至1：1～3，這就為大量推廣應(yīng)用創(chuàng)造了先決條件。
我國無刷電機的研制工作始于70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前我國已有幾種系列產(chǎn)品生產(chǎn)，如ST系列，IFTS系列，ASM系列，但仍沒有制定出國家標準，限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實踐相結(jié)合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備較國際水準差距較大，所以目前我國無刷電機綜合水平仍低于國際水平，大約相當(dāng)于國外70年代末80年代初的水準，有待進一步研究和開發(fā)。
2 無刷直流電機的特點及應(yīng)用
由于無刷電機比有刷直流電機有更多的優(yōu)點（見附表），而且比無電刷結(jié)構(gòu)的交流電機又有良好的機械特性和控制特性，因此具備廣泛應(yīng)用前景。
2.1精密電子設(shè)備和器具領(lǐng)域
由于大多數(shù)電子設(shè)備中電子線路均由直流電源供電，且要求電機具有調(diào)速、穩(wěn)速、定位控制等特性。因此當(dāng)前大多數(shù)精密設(shè)備中均采用無刷電機驅(qū)動控制。如計算機硬、軟盤驅(qū)動，激光打字機棱鏡驅(qū)動，錄相機鼓驅(qū)動，CD唱機驅(qū)動，醫(yī)療診斷CT機，治療用高速牙鉆，衛(wèi)星上太陽能帆板驅(qū)動，儀用通風(fēng)機等。在此領(lǐng)域中的應(yīng)用正在逐步推廣，取代有刷電機。
2.2工業(yè)自動化設(shè)備領(lǐng)域
目前已應(yīng)用的有高檔數(shù)控加工設(shè)備，已有取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直流和交流電機的趨勢。另外在一些工業(yè)加工設(shè)備中也開始推廣應(yīng)用，如工業(yè)縫紉機、輕印刷機械、食品加工機械等。值得密切注意潛在實用的是工業(yè)機器人驅(qū)動控制，由于這種應(yīng)用場合對速度、力矩和定位控制均有要求，無刷電機是****品種，目前全世界已有100多萬臺各類機器人，而每年以高于百分之二十速率增長，對無刷電機的需求量很大。
2.3在汽車和電動車輛中的應(yīng)用
現(xiàn)代汽車正朝著豪華型方向發(fā)展，自動化程度很高，使用眾多類塑電動機，其中無刷直流電機在很多難以維修部件中被采用。
另外，電動車作為無污染的未來交通工具，受到各國工業(yè)界的重視，目前正在加大投入，加緊開發(fā)，無刷直流電機是最理想的動力源，目前首先在電動摩托車或電動助動車使用，已逐步進入批量生產(chǎn)，電動汽車估計在3—5年中也將廣泛普及。
2.4在現(xiàn)代家用電器中的應(yīng)用
1984年，美國通用電氣公司(GE)推出了一種所謂智能電動機，引起國際的注目，其實這種電機是一種以微處理器控制的無刷直流電動機。由于這種電機具有十分寬的調(diào)速范圍(20～l0000r/min)，且低噪聲、高效率，可實現(xiàn)一定的“智能”操作，它一問世，受到家用電器工業(yè)設(shè)計者的青睞，初期用于37. 3W吊扇，可無級調(diào)速，后來逐步在洗衣機、空調(diào)器、冰箱等家電產(chǎn)品中應(yīng)用，使這些家電產(chǎn)品實現(xiàn)省電、多功能、自動控制，如定時，定溫，自然調(diào)節(jié)，按軟件程序工作。近年來，無刷直流電機在各類家電產(chǎn)品中均有應(yīng)用，提高家電產(chǎn)品自動化程度，如按室溫自動調(diào)溫的空調(diào)器，可選擇衣物種類的洗衣機，根據(jù)冷藏物的自動選擇冷凍溫度的電冰箱等。大有取代交流電動機在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用趨勢。目前我國已有這類產(chǎn)品開發(fā)，即將投放市場。無刷直流電機在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用前景大大刺激了無刷電機的開發(fā)研究。據(jù)美國GE公司預(yù)測，若用無刷電機取代傳統(tǒng)的異步電動機在制冷器具中的應(yīng)用，其效率可提高百分之二十，全美國1年可節(jié)電2.2百萬kW。
3 我國無刷直流電機開發(fā)和生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問題
我國無刷直流電機的研制開發(fā)起于70年代初期，主要是為我國自行研制的軍事裝備和宇航技術(shù)發(fā)展而配套。由于需要量少，只需由某些科研單位試制提供就能滿足要求。經(jīng)過20多年的發(fā)展，雖然在新產(chǎn)品開發(fā)方面縮短了與國際先進水平的差距，但由于無刷電機產(chǎn)品是綜合了電機、微電子、控制、計算機等技術(shù)于一身的高技術(shù)產(chǎn)品，受到了我國基礎(chǔ)工業(yè)落后的制約，因此無論在產(chǎn)量、品種、質(zhì)量及應(yīng)用上與國際先進水平差距甚大。目前，國內(nèi)研制的單位雖不少，但能有一定批量的單位卻屈指可數(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國的年產(chǎn)量不超過10萬臺，其中絕大部分是屬于低檔的無刷風(fēng)機，且價格高于進口產(chǎn)品，毫無市場競爭能力，制約發(fā)展的主要因素有：
a．可供選擇的電子元器件太少，尤其專用集成模塊，國內(nèi)仍然是空白，嚴重影響新產(chǎn)晶的開發(fā)和規(guī)�；a(chǎn)，而且其可靠性差，價格高，難以滿足實際生產(chǎn)需要。
b．科研與生產(chǎn)設(shè)備陳舊，尤其是大規(guī)模生產(chǎn)手段缺泛，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性，生產(chǎn)效率低下，增加生產(chǎn)成本。
c．缺泛有效的應(yīng)用研究，新產(chǎn)品開發(fā)沒有針對性，研究和實用脫節(jié)，只追求成果的水平，忽略零部件的國產(chǎn)化，阻礙成果的轉(zhuǎn)化。
d．國產(chǎn)的原材料及零部件質(zhì)次價高，如無刷電機的關(guān)鍵磁性材料、鐵氧體磁鐵和稀
土磁鋼均無法滿足需要，檢測轉(zhuǎn)子位置用傳感器水平也很差。
e．大規(guī)模應(yīng)用市場還未形成，由于無刷電機主要應(yīng)用在高檔的精密設(shè)備和儀器中，而這些產(chǎn)品目前我國還正處在開發(fā)中，即使有小批量生產(chǎn)，仍然是隨整機從國外進口組裝，國產(chǎn)化仍剛剛起步，難以在短時間完成，缺乏大批量的需求，對電機制造業(yè)決定進行大規(guī)模技術(shù)改造是很困難的選擇。
f．無刷直流電機屬精密微特電機之列，需要較多精密加工設(shè)備和測試設(shè)備，投資量大，如籌建一座年產(chǎn)量百萬臺錄相機用無刷直流電機生產(chǎn)廠，總投資需1．．5～2億元，一般企業(yè)難以承受，嚴重影響企業(yè)的技術(shù)改造。
4國際和國內(nèi)市場需求預(yù)測
4.1國際市場
當(dāng)今日本、德國、臺灣是無刷電機主要生產(chǎn)國和地區(qū)，日本的年產(chǎn)量超過8000萬臺，其中約百分之五十出口誨外，德國年產(chǎn)量約3000萬臺，臺灣主要生產(chǎn)較低檔無刷風(fēng)機，年產(chǎn)量超過1000萬臺。此外，美國也有一定量的生產(chǎn)，主要為國內(nèi)市場需要，大多屬高檔精密型，一般產(chǎn)品需從國外進口，是無刷電機****的進口國，年需要量幾千萬臺，價值近10億美元。西歐諸國每年也需從國外進口，滿足其計算機、機床工業(yè)的需要。近幾年，日元和馬克連續(xù)升值，使兩個無刷電機供應(yīng)國的價格不斷上升，很多國際貿(mào)易商紛紛到東亞及我國尋求產(chǎn)品，有些制造商將整個廠搬到大陸，如日本馬淵公司連續(xù)在我國大連、深圳、蘇州等市獨立辦了三個廠，其產(chǎn)量極大。臺灣也有不少企業(yè)紛紛到大陸選點辦廠，給我們帶來引進技術(shù)和資金的極好機遇。
4.2國內(nèi)市場
目前國內(nèi)無刷電機市場仍呈潛在待開發(fā)的狀態(tài)，但發(fā)展前景美好，預(yù)測今后5年內(nèi)是一個大發(fā)展時期，主要的市場（應(yīng)用）大致有：
a．視聽設(shè)備：主要用于錄相機、****音響、CD機、攝像機，年需要量50～100萬臺。
b．計算機設(shè)備：驅(qū)動器、激光打印機、風(fēng)機等，年需要量10～15萬臺。
c．辦公自動化設(shè)備：復(fù)印機、輕印刷機械、傳真機等，年需要量10萬臺左右。
d．自動化儀器儀表：各類記錄儀、繪圖儀、宇航自動機器、冷卻風(fēng)機等，年需要量50～100萬臺。
e．工業(yè)自動化設(shè)備：數(shù)控加工設(shè)備，機器人，自動化生產(chǎn)線，電子產(chǎn)品加工設(shè)備（如焊接機，電動螺絲刀，貼片機，拉單晶機等），年需要量30～50萬臺。
f．汽車工業(yè)：制冷、自動搖窗、自動啟門等，年需要量5～10萬臺，電動車輛的驅(qū)動是一個十分龐大的潛在市場，若高能價廉的蓄電池有所突破，即能迅速大量應(yīng)用市場，前景看好。
g．高檔家用電器：無級變速風(fēng)扇、洗衣機、冰箱、模糊控制空調(diào)器等，無刷電機在這個領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分誘人。目前我國已有很多單位正在積極開發(fā)，引進國外先進技術(shù)，預(yù)測不久即將問世，對無刷電機的需求量急劇增加，進一步促進我刷電機開發(fā)和生產(chǎn)。
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