無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用
強(qiáng)曼若（上海城市建設(shè)學(xué)院）
【摘 要】介紹 無刷直流電機(jī)的發(fā)展歷史，根據(jù)其特點(diǎn)，重點(diǎn)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(dòng)機(jī)開發(fā)現(xiàn)狀和存在問題，最后對其今后發(fā)展進(jìn)行預(yù)測。 【敘 詞】無刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展史特點(diǎn)．應(yīng)用
1概述
有刷直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，機(jī)械電刷卻是有刷直流電機(jī)的一個(gè)致命的弱點(diǎn)。為此，早在1917年，Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)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(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電機(jī)的誕生。
近40年來，由于電機(jī)本體及其相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展，“無刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換向的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有有刷直流電機(jī)外部特性的電子換向電機(jī)。刷直流電機(jī)的發(fā)展亦使得電機(jī)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(jī)集特種電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測元件、控制軟件與硬件于一體，形成為新一代電動(dòng)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(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)物。
無刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段應(yīng)從1978年開始，當(dāng)時(shí)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(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(jī)和正弦波無刷直流電機(jī)，在10多年的時(shí)間里，無刷直流電機(jī)在國際上已得到較為充分的發(fā)展，在一些較為發(fā)達(dá)的國家里，無刷直流電機(jī)將在未來的幾年中成為主導(dǎo)電機(jī)，并逐步取代其它類型的電機(jī)。
無刷直流電機(jī)在近10年里得到迅速推廣應(yīng)用的另一個(gè)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(jià)格低廉的電子元器件為制造無刷直流電機(jī)創(chuàng)造了基本條件。80年代初期，電機(jī)本體與換向驅(qū)動(dòng)電路的價(jià)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實(shí)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(zhǔn)差距較大，所以目前我國無刷電機(jī)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(zhǔn)，有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。
2 無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用
由于無刷電機(jī)比有刷直流電機(jī)有更多的優(yōu)點(diǎn)（見附表），而且比無電刷結(jié)構(gòu)的交流電機(jī)又有良好的機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)控制。如計(jì)算機(jī)硬、軟盤驅(qū)動(dòng)，激光打字機(jī)棱鏡驅(qū)動(dòng)，錄相機(jī)鼓驅(qū)動(dòng)，CD唱機(jī)驅(qū)動(dòng)，醫(yī)療診斷CT機(jī)，治療用高速牙鉆，衛(wèi)星上太陽能帆板驅(qū)動(dòng)，儀用通風(fēng)機(jī)等。在此領(lǐng)域中的應(yīng)用正在逐步推廣，取代有刷電機(jī)。
2.2工業(yè)自動(dòng)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(jī)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(jī)、輕印刷機(jī)械、食品加工機(jī)械等。值得密切注意潛在實(shí)用的是工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(jī)是****品種，目前全世界已有100多萬臺各類機(jī)器人，而每年以高于百分之二十速率增長，對無刷電機(jī)的需求量很大。
2.3在汽車和電動(dòng)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(dòng)化程度很高，使用眾多類塑電動(dòng)機(jī)，其中無刷直流電機(jī)在很多難以維修部件中被采用。
另外，電動(dòng)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(jī)是最理想的動(dòng)力源，目前首先在電動(dòng)摩托車或電動(dòng)助動(dòng)車使用，已逐步進(jìn)入批量生產(chǎn)，電動(dòng)汽車估計(jì)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(dòng)機(jī)，引起國際的注目，其實(shí)這種電機(jī)是一種以微處理器控制的無刷直流電動(dòng)機(jī)。由于這種電機(jī)具有十分寬的調(diào)速范圍(20～l0000r/min)，且低噪聲、高效率，可實(shí)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(jì)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(jī)、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(shí)現(xiàn)省電、多功能、自動(dòng)控制，如定時(shí)，定溫，自然調(diào)節(jié)，按軟件程序工作。近年來，無刷直流電機(jī)在各類家電產(chǎn)品中均有應(yīng)用，提高家電產(chǎn)品自動(dòng)化程度，如按室溫自動(dòng)調(diào)溫的空調(diào)器，可選擇衣物種類的洗衣機(jī)，根據(jù)冷藏物的自動(dòng)選擇冷凍溫度的電冰箱等。大有取代交流電動(dòng)機(jī)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(jī)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用前景大大刺激了無刷電機(jī)的開發(fā)研究。據(jù)美國GE公司預(yù)測，若用無刷電機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)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(jī)開發(fā)和生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問題
我國無刷直流電機(jī)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(jìn)水平的差距，但由于無刷電機(jī)產(chǎn)品是綜合了電機(jī)、微電子、控制、計(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì)，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(jī)，且價(jià)格高于進(jìn)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(yán)重影響新產(chǎn)晶的開發(fā)和規(guī)�；a(chǎn)，而且其可靠性差，價(jià)格高，難以滿足實(shí)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(shí)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(jià)高，如無刷電機(jī)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(jī)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(jī)從國外進(jìn)口組裝，國產(chǎn)化仍剛剛起步，難以在短時(shí)間完成，缺乏大批量的需求，對電機(jī)制造業(yè)決定進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)改造是很困難的選擇。
f．無刷直流電機(jī)屬精密微特電機(jī)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(jī)用無刷直流電機(jī)生產(chǎn)廠，總投資需1．．5～2億元，一般企業(yè)難以承受，嚴(yán)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(jī)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(jī)，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(jìn)口，是無刷電機(jī)****的進(jìn)口國，年需要量幾千萬臺，價(jià)值近10億美元。西歐諸國每年也需從國外進(jìn)口，滿足其計(jì)算機(jī)、機(jī)床工業(yè)的需要。近幾年，日元和馬克連續(xù)升值，使兩個(gè)無刷電機(jī)供應(yīng)國的價(jià)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(gè)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(dú)立辦了三個(gè)廠，其產(chǎn)量極大。臺灣也有不少企業(yè)紛紛到大陸選點(diǎn)辦廠，給我們帶來引進(jìn)技術(shù)和資金的極好機(jī)遇。
4.2國內(nèi)市場
目前國內(nèi)無刷電機(jī)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(gè)大發(fā)展時(shí)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(jī)、****音響、CD機(jī)、攝像機(jī)，年需要量50～100萬臺。
b．計(jì)算機(jī)設(shè)備：驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)、風(fēng)機(jī)等，年需要量10～15萬臺。
c．辦公自動(dòng)化設(shè)備：復(fù)印機(jī)、輕印刷機(jī)械、傳真機(jī)等，年需要量10萬臺左右。
d．自動(dòng)化儀器儀表：各類記錄儀、繪圖儀、宇航自動(dòng)機(jī)器、冷卻風(fēng)機(jī)等，年需要量50～100萬臺。
e．工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備：數(shù)控加工設(shè)備，機(jī)器人，自動(dòng)化生產(chǎn)線，電子產(chǎn)品加工設(shè)備（如焊接機(jī)，電動(dòng)螺絲刀，貼片機(jī)，拉單晶機(jī)等），年需要量30～50萬臺。
f．汽車工業(yè)：制冷、自動(dòng)搖窗、自動(dòng)啟門等，年需要量5～10萬臺，電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)是一個(gè)十分龐大的潛在市場，若高能價(jià)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(jī)、冰箱、模糊控制空調(diào)器等，無刷電機(jī)在這個(gè)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(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，預(yù)測不久即將問世，對無刷電機(jī)的需求量急劇增加，進(jìn)一步促進(jìn)我刷電機(jī)開發(fā)和生產(chǎn)。
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