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產業(yè)用無刷直流電機
Brushless DC Motor in Industry Application唐山普林依托永磁電機有限公司 戴政耀
深圳依托普林電力電子有限公司 趙泉勇
Dai Zhengyao Zhao Quanyong
摘 要: 無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性,同時也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機的運轉效率,低速轉矩,轉速精度等都比任何控制技術的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關注.本產品已經生產超過55kW,可設計到400kW,可以解決產業(yè)界節(jié)電與高性能驅動的需求。
. 關鍵詞:無刷直流電機 永磁同步電機 直流變頻 釹鐵硼
Abstract: Brushless direct current motor has the same dc motor output characteristics, also
named BLDC. BLDC have higher output torque in low speed, higher efficiency and better
speed precision than any control modes of frequency converter drives. This chapter
introduce capacity up to 400kW for the industrial application.
Key words:Brushless direct current motor Permanent magnetic synchronous motor
BLDC NdFeB
[中圖分類號]TM921 [文獻標識碼]B 文章編號 1561-0330(2003)06-00
1 無刷直流電動機簡介
無刷直流電動機的學名叫“無換向器電機”或“無整流子電機”,是一種新型的無級變速電機,它由一臺同步電機和一組逆變橋所組成,如圖1所示。它具有直流電機那樣良好的調速特性,但是由於沒有換向器,因而可做成無接觸式,具有結構簡單,制造方便,不需要經常性維護等優(yōu)點,是一種現(xiàn)想的變速電機。
在工作原理上有二種不同的工作方式：
(1)直流無刷電機:又稱“無換向器電機交一直一交系統(tǒng)”或“直交系統(tǒng)”,如圖1所示。是將三相交流電源整流后變成直流，再由逆變器轉換成頻率可調的交流電,但是,注意此處逆變器是工作在直流斬波方式。
(2)交流無刷電動機:它是利用交-交變頻器向同步機供給交流電。
（插圖1）
無刷直流電動機Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步電機,以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉子的永磁材料;產品性能超越傳統(tǒng)直流電機的所有優(yōu)點,同時又解決了直流電機碳刷滑環(huán)的缺點,數(shù)字式控制,是當今最理想的調速電機(參考下列美國能源部針對各種不同調速電機效率比較圖).
本產品具有高效率,高轉矩,高精度的三高特點;同時具有體積小,重量輕,可作成各種體積形狀,是當今最高效率的調速電機,與傳統(tǒng)直流有刷電機比較,或與交流變頻調速比較均有更好的性能;在牽引電機電瓶車EV行業(yè),取代傳統(tǒng)直流有刷電機時除可以達到更高效率,更高激活轉矩等特性外,由于采用方波驅動,讓鉛酸蓄電池有時間修補電極板,可以延長蓄電池的壽命,提高約1.3倍的電池容量,綜合效率約可提高一倍左右的電池容量,大大的改善了電瓶車的性能.
無刷直流電動機在先進國家已大量應用于軍事、信息業(yè)(IT)、辦公設備(OA)、家電業(yè)(HA)、DIY手動工具、伺服系統(tǒng)、電動汽車、電瓶車、磁旋浮列車等;經過本公司十多年的研究開發(fā),目前生產容量已經達75kW,設計容量可達315kW,可以滿足產業(yè)自動化及流體機械、空調機械的節(jié)電驅動應用.
無刷直流電動機具有上述的三高特性,非常適合使用在24小時連續(xù)運轉的產業(yè)機械及空調冷凍主機、風機水泵、空氣壓縮機負載;低速高轉矩及高頻繁正反轉不發(fā)熱的特性，更適合應用于機床工作母機及牽引電機的驅動;其穩(wěn)速運轉精度比直流有刷電機更高,比矢量控制或直接轉矩控制速度閉環(huán)的變頻驅動還要高,性能價格比更好,是現(xiàn)代化調速驅動的最佳選擇。
由于本產品具有彈性的尺寸及不同的電氣特性,除通用型G系列,高激活轉矩M系列外,每一種行業(yè)的應用都不盡相同,因此用戶訂貨前必須提出電氣特性與機械尺寸的要求，圖2示士出永磁無刷直流電動機與異步電動機變頻變壓的機械特性比較。
圖2 機械特性比較圖
1 異步電動機變頻變壓2 永磁無刷直流電動機（BLDCM）
注：BLDCM可在≤Mmax負載轉矩下起動，可在MN≤M≤Mmax負載下短時運行，可在≤MN下長時運行。
美國能源部對各種驅動電機效率的比較，如圖3所示
圖3 美國能源部對各種驅動電機效率的比較
2-無刷直流電動機的工作原理
2.1 基本工作原理
無刷直流電動機由同步電動機和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。同步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。而轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，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信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。
無刷直流電動機的原理簡圖如圖4所示：
主電路是一個典型的電壓型交—直—交電路，逆變器提供等幅等寬5-26KHz調制波的對稱交變矩形波。
永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產生相位差1200的U、V、W方波，結合正/反轉信號產生有效的6狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產生T1—T4導通、T1—T6導通、T3—T6導通、T3—T2導通、T5—T2導通、T5—T4導通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉子每轉過一對N-S極，T1—T6功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動600電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于600電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進600電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)旋轉。正因為無刷直流電動機的換向是自身產生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。
無刷直流電動機的工作原理簡圖
2.2 無刷直流電動機的電磁轉矩
無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉子磁場軸線位置，所以不論轉子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產生足夠大的啟動轉矩，因此轉子上不需另設啟動繞組。
由于定子磁場軸線可視作同轉子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產生的平均電磁轉矩與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機的電流—轉矩特性。
電動機的轉矩正比于繞組平均電流：
Tm=KtIav （N·m） (1)
電動機兩相繞組反電勢的差正比于電動機的角速度：
ELL=Keω （V） (2)
所以電動機繞組中的平均電流為：
Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） (3)
其中，Vm=δ·VDC是加在電動機線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調制波的占空比，Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機的電磁轉矩：
Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke是電動機的結構常數(shù)，ω為電動機的角速度（rad/s），所以，在一定的ω時，改變占空比δ，就可以線性地改變電動機的電磁轉矩，得到與他勵直流電動機電樞電壓控制相同的控制特性和機械特性。
無刷直流電動機的轉速設定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V對應的最高轉速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何電平即對應相當?shù)霓D速n，這就實現(xiàn)了變速設定。
當Vc設定以后，無論是負載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當轉速低于指令轉速時，反饋電壓Vfb變小，調制波的占空比δ就會變大，電樞電流變大，使電動機產生的電磁轉矩增大而產生加速度，直到電動機的實際轉速與指令轉速相等為止；反之，如果電動機實際轉速比指令轉速高時，δ減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實際轉速與指令轉速相等為止。可以說，無刷直流電動機在允許的電網波動范圍內，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉速與指令轉速相差在1%左右，并可以實現(xiàn)在調速范圍內恒轉矩運行。
由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機那樣需要從電網吸取勵磁電流；由于轉子中無交變磁通，其轉子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高10%左右，一般來說，無刷直流電動機的力能指針（ηcosθ）比同容量三相異步電動機高12%-20%。
2.3 與異步電動機的比較
. 由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會象變頻調速下重載啟動的同步電動機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。
中小容量的無刷直流電動機的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能積的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。
近30年來針對異步電動機變頻調速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉矩的方法，而無刷直流電動機的電流或電樞的端電壓，就是直接控制電動機轉矩的物理量。過去，由于稀土永磁體價格比較高等因素，限制了稀土永磁無刷直流電動機的應用領域，但是隨著技術的不斷創(chuàng)新，其價格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列無刷直流電動機的售價已與異步電動機和普通變頻器售價之和相差無幾。稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉速誤差小等特點在調速領域顯現(xiàn)優(yōu)勢。
3稀土永磁無刷直流電動機的應用
電動機的控制實際上是轉矩控制，電動機的體積大小決定于轉矩的大小，所以選用電動機時，除了有關安裝方式，防護等級以外，莫不以負載轉矩—穩(wěn)態(tài)負載轉矩TL和擾動轉矩ΔTL為中心來考慮電動機的選用。
(1)電動機的電磁轉矩TM決定了電動機的體積D2L
X TM=CMD2L
其中CM稱作電動機常數(shù)，它和電動機繞組絕緣等級、散熱條件等密切相關。
通常標定的電動機輸出功率PN是在額定轉速nN下連續(xù)輸出額定轉矩TN乘積關系，如果PN以（W）、T以（N·m）、nN以（r/min）表示，則
PN =0.1047TN·nN＝TN·ωN
ωN是電動機的額定角速度， (rad/s)
所以，選用電動機（特別是調速應用的電動機）應該說：在XX-XX轉速范圍內電動機的連續(xù)額定轉矩TN是多少，或者說：在最大工作轉速為XXr/min電動機額定功率是多少。
對一個調速比為D=nmax/nmin恒轉矩TL運行的調速電動機來說，它的輸出功率從Pmin=0.1047nminTL到Pmax=0.1047nmaxTL，如果D=100，則最大和最小輸出功率之比為100:1。對于無刷直流電動機來說，轉速增加后鐵耗和風摩耗近似以轉速的平方關系增加，所以輸入功率增加比例更大。
(2) 負載的最大
轉矩
負載的等效轉矩，Teq不得超過電動機連續(xù)額定轉矩，負載的最大轉矩不得超過電動機的允許過載轉矩, 如圖5所示。
圖5 負載的等效轉矩
(3) 轉動慣量
減速比i是電動機轉速nM和負載轉速nL之比，在不計減速機構效率時，兩方功率平衡TM·nM= TL·nL，所以i= nM/nL，i= TL/TM，減速機構相當于放大了電動機的轉矩，減小了電動機轉速。負載轉動慣量JL折算到電動機軸上的轉動慣量JL’和電動機自身轉動的慣量JM之和是：JL’ + JM = JL/i2+JM ，如果負載質量為m，以V為速度運動，則：
1/2mV2=1/2JLω2， JL=mV2/ω2
利用 JL’=JL/i2 , 得 JL’+JM=JL/i2+JM=J
(4) 減速比i的選擇
任何瞬時，以下方程都成立
TM=TL+Bω+J·dω/dt
其中TM是電動機輸出轉矩，TL是負載和庫侖轉矩之和，B是阻尼系數(shù)，J是系統(tǒng)轉動慣量，TL、B、J都是折算到電動機軸上的等效資料，ω是電動機的角速度。對于系統(tǒng)轉動慣量J大的系統(tǒng)宜選擇大減速比i的減速機構。對于要求加速快而J又顯著較大時，宜選用i=√JL/JM，就是選擇i，使負載折算轉動慣量JL’等于電動機轉動慣量JM。過大的J·dω/dt容易引起負轉速波動或震蕩，因此應使ω緩變，避免ω突變；如果確需ω突變，則應選用伺服型系統(tǒng)，而不應選用任何一種類型的調速系統(tǒng)，如果J·dω/dt遠大于TL、Bω，則在停機時，無刷電動機將在發(fā)電機狀態(tài)工作，在這種狀態(tài)下，直流母線電壓會急劇增長，危及功率器件。為此需在直流母線上增加過壓放電電路或使指令電壓Vc緩變，使ωM逐漸降到安全角速度再切斷速度指令。否則，需另加制動器以適應快速停轉的需要。對于頻繁啟動或正反轉的系統(tǒng)也應遵守軟啟動、軟停止、再啟動的原則，并且要核算等效電流Ieq
Ieq=√∑Ii2·ti/∑ti ≤IN
(5) 多臺電動機的高速同步旋轉
無刷直流電動機適應多臺電動機中高速同步旋轉，其轉速相差不超過1%。這時需多臺電動機共享一個速度指令，對于多臺電動機相距遠時，需用V/f-f/V變換技術來傳遞速度指令，防止速度指令電平Vc在傳遞中因衰減不同而引起指令誤差。
(6) 恒張力（F）系統(tǒng)
恒張力（F）系統(tǒng)選用無刷直流電動機作為卷繞機構動力時，電動機的最高轉速
ηmax= ，電動機的最大轉矩Tmax=F·Dmax/2，其中Dmin和Dmax對應卷筒的最小和最大直徑（m），V是卷繞物的線速度（m/min），F(xiàn)為恒張力（N），最大轉矩Tmax（N·m），負載功率P=FV/60（W）。
4-無刷直流電動機特點
*容量范圍大:標準品可達400kW,更大容量可以訂制.
*電壓種類多:直流供電,交流高低電壓均不受限制.
*低頻轉矩大:低速可以達到理論轉矩輸出,激活轉矩可以達到兩倍或更高.
*高精度運轉:不超過1 rpm.(不受電壓變動或負載變動影響).
*高效率:所有調速裝置中效率最高,比傳統(tǒng)直流電機高出5~30%.
*調速范圍:簡易型/通用型(1:10),高精度型(1:100),伺服型.
*過載容量高:負載轉矩變動在200%以內輸出轉速不變.
*體積彈性大:實際比異步電機尺寸小,可以做成各種形狀.
*可設計成外轉子電機(定子旋轉).
*轉速彈性大:可以幾10轉到106轉.
*制動特性良好,可以選用四象限運轉.
*可設計成全密閉型,IP-54,IP-65,防爆型等均可.
*允許高頻度快速激活,電機不發(fā)燙.
*通用型產品安裝尺寸與一般異步電機相同,易于技術改造.
5二種電機在不同控制方式下的比較二種電機在不同控制方式下的效率比較如圖5所示
圖5 二種電機在不同控制方式下的效率比較
6--依托無刷直流電動機
圖6-依托無刷直流電動機的外形圖
無刷直流電動機具有高效率,高精度,高轉矩三高特性,能夠輕松取代帶速反饋的進口矢量控制變頻器(或直接轉矩控制),變頻電機,直流有刷電機等;同時也可以取代不需高精度定位的伺服控制器,外形圖如圖6所示。是目前產業(yè)自動化與節(jié)電現(xiàn)代化的最重要驅動裝置之一。.
無刷直流電機產品規(guī)范
容量范圍: ~ 400 kW
極 數(shù):2 ~ 48 極
電 壓:直流電壓,電瓶電壓,單相,三相交流高低壓可選.
頻 率:50,60,400 Hz ,直流.
框 號:標準品45~355M,非標產品歡迎訂制.
保護方式:IP-44/IP-54
速度指令:電位器,0~5V,4~20mA,RS-485
加減速時間:0.1 ~ 120S
絕緣等級:B級絕緣(F極可選)
控制方式:PWM (載波頻率2~18 K Hz)
最低轉速:通用型150rpm,高精度型可更低.
最高轉速:100 ~ 30,000 rpm可選.
轉速精度:±1 rpm/最高轉速
調速范圍:1:10,高精度型1:100.
最大轉矩:150%.
轉矩特性:恒轉矩輸出特性
激活轉矩:通用型:200%,電瓶車:400%,牽引電機:600%.
制動轉矩:20%以上,更高能力可選.
返饋裝置:三相霍爾(相差120°).高精度及伺服型用光碼盤.
基本功能:正反轉,多段速度.
7--無刷直流電機與傳統(tǒng)直流有刷電機的比較
無刷直流電機因為沒有碳刷與換向器,所以沒有維修與保養(yǎng)的需要;由于采用永磁轉子,沒有激磁損耗的問題,綜合效率高出10~20%左右(依據(jù)功率大小而定),低速轉矩更大,激活轉矩可達額定3倍,轉速精度可達1/3000,不受電壓與負載變動的影響.電機可以做成密閉型
或防塵防爆型等結構.因此能夠完全取代傳統(tǒng)有刷直流電機,而且運轉費用更低,沒有保養(yǎng)維修的煩惱，無刷直流與有刷直流及歐盟CEMED標準的效率比較請參見圖7。.
圖7 各種直流電機效率比較圖
8 無刷直流電機與異步機加變頻器的比較
雖然當今交流變頻調速非常普遍,但是變頻調速受限于異步電機的低效率,電機運轉在低速時轉矩變小,諧波損耗大,速度變動率大,動態(tài)性能不佳等缺失;雖然采用速度死循環(huán)矢量控制或直接轉矩控制變頻器時其可以滿足性能需要,但是購置費用偏高,而且異步電機的效率,功因,低速發(fā)熱仍然無法改善.
我們在注塑機行業(yè)與變頻器節(jié)能改造作比較,無刷直流電機的綜合節(jié)電率比交流變頻要高出20%以上,注塑機沒有降低生產速度(變頻器降低約3%),電機溫升相差20℃.
在風機水泵壓縮機的負載上應用,功率--速度曲線實際上應該達到三次方關系,但使用變頻器驅動異步電機其曲線可能只有平方比例或稍差;采用無刷直流電機驅動其曲線可以接近三次方曲線特性,節(jié)電效果更好.
典型高效率異步電機及變頻器驅動后的效率曲線圖如圖8所示
圖8 效率曲線比較圖
①BLDCM （無刷直流電動機）
②高效率異步機
③一般異步機
④無刷直流電機控制器
⑤變頻器
參考文獻
[1]許大中.晶閘管無換向器電機[M].北京:科學出版社,1984
[2] 張琛. 直流無刷電動機原理及應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，
作者簡介
戴政耀 男 臺灣普傳股份有限公司總經理。畢業(yè)于臺灣明新技術學院電機工程科系,曾任職于臺灣東元電機股份有限公司重電業(yè)務部門,熟悉各種電機與變頻器產品的應用技術.
（待續(xù)）
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