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1、新型特种电机及其发展趋势,无刷直流电机,一 概 述,一 概 述,电动机作为机电能量的转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,存在着相对的机械摩擦,由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点,制造成本高及维修困难等缺点,因而大大地限制了它的应用范围。,随着科学技术的进步,新技术新材料的不断涌现,使得直流无刷电动机的研究和开发成为可能,无刷直流电动机具有以下特点: (1) 因为无刷直流电动机的转子采用高磁能积的稀土磁钢作为转子磁钢,其转动惯量比鼠笼转子要小,所以对于给定的转矩能够响应得更快,控制特性更好。 (2)
2、 无刷直流电动机的效率比感应电动机高。因为在感应电机运行时,转子上产生的铜损和铁损,在无刷直流电动机中则没有。,一 概 述,(3) 在相同容量下,无刷直流电动机的体积相对要比感应电机小,重量轻。 (4) 无刷直流电机的噪音小。 (5) 无刷直流电机调速方便,灵活,范围广。,一 概 述,无刷直流电动机是基于永磁同步电机的结构和原理，结合机电一体化，利用电子换向器取代了机械电刷和换向器，因此使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点。无刷电动机具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性等优点的同时，还具有低噪声和长寿命等特点。使它一经出现
3、就以极快的速度发展和普及。 无刷直流电机分为有位置传感器无刷直流电机和无位置传感器无刷直流电机两种。,一 概 述,传统的无刷直流电动机大多以霍尔元件或其它位置检测元件作为位置传感器，以光电码盘作为速度检测元件。但位置传感器的存在带来许多缺点: (1) 电机和控制线路间联接元件增多，抗干扰性变差。 (2) 一些环境因素(如温度、湿度、振动)使传感器的精度受到限制。,一 概 述,(3) 相对于无位置传感器系统，系统的成本增加(包括传感器和电子线路)。 (4) 传感器给输入轴带来一定程度的静态和动态磨擦，增大了电机轴的转动惯量。 (5) 不能适应特殊场合应用的要求。 (6) 妨碍了电机小型化的发展等
4、。,一 概 述,鉴于电动机的造价、体积、结构以及特定环境要求，人们在上世纪80年代末90年代初开始进行无传感器的研究工作。这些方法是取消传统的机械式位置传感器，而代之以电子检测线路等其它方法来判断转子位置。高性能的单片机和专门用途的DSP微处理器的发展推动了这一研究，使直流无刷电机的位置检测、换相更加准确和稳定。 无刷直流电机虽然有很多优点，但是其主定子中产生的是一种跳跃式的旋转磁场，因此转矩不可避免的存在脉动。实际上这是由于电枢绕组和相应的开关元件数目总是有限的，电流换向使得电枢磁场呈现步进性。,一 概 述,二结构和工作原理,二 结构和工作原理,1. 结构 无刷直流电动机基本结构见图1，无刷
5、直流电动机的转子是由永磁材料制成的，具有一定磁极对数的永磁体。与永磁同步伺服电动机非常类似，转子的结构分两种：第一种是将瓦片状的永磁体贴在转子的外表上，称为凸极式；另一种是将永磁体内嵌到转子铁心中，为嵌入式。无刷直流电动机的转子磁钢的形状呈弧形，磁极下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布。定子上有电枢，这一点与有刷直流电动机正好相反，有刷直流电动机的电枢装在转子上，而永磁体装在定子上。,图1 无刷直流电机基本结构图 无位置传感器无刷直流电机就是没有后面的传感器部分。,二 结构和工作原理,2. 工作原理 直流无刷电动机，在原理上就是将传统直流电动机的电刷和整流子用磁极传感器和半导体开关来代替。借助
6、反映转子位置的位置信号传感器或者无传感器的反馈电路，通过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组以一定顺序通电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子转动。随着转子的转动，转子信号位置也按一定规律变化，从而改变绕组的通电状态，实现直流无刷电机的能量转换。图2是它的基本构成框图。,二 结构和工作原理,图2 无刷直流电动机的原理框图,二 结构和工作原理,普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断地改变电枢绕组中的电流方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电机为了去掉电刷，将电
7、枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。 为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子磁场始终保持90左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。,二 结构和工作原理,图3 三相星形连接全桥驱动电路 图3是三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动方式的电路图。在这种方式下，对驱动电路开关管的控制原理可用图4和图5加以说明（图中假设转子只有一对磁极，定子绕组A、B、C三相对称,按每极每相60相带分布）。,
8、二 结构和工作原理,假设当转子处于图4(1)位置时为0，相带 A、B、C 在N 极下，相带A、B、C在S 极下,这时A 相正向通电,B相反向通电，C 相不通电,各相通电波形见图5，产生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转子逆时针恒速转动。 当转过60角后，转子位置如图4(2)所示。这时如果转子继续转下去就进入图4(3) 所示的位置，这样就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，它们相互抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小。因此，为了避免出现这样的结果，当转子转到图4(2)的位置时，就必须换相，使 B相断电，C 相反向通电。,二 结构和工作原理,转子继续旋转，转过60角后到图4(4)所示的
9、位置，根据上面讲的道理必须进行换相，即A 相断电，B 相正向通电，如图4(5) 所示。 转子再转过60角，如图4(6)所示位置，再进行换相，使C 相断电，A 相反向通电，如图4(7)所示。 这样如此下去，转子每转过60角就换相一次，相电流按图2.4所示的顺序进行断电和通电，电动机就会平稳地旋转下去。,二 结构和工作原理,二 结构和工作原理(下图转到方向错了？),二 结构和工作原理,三发展与现状,三发展与现状,1. 早期的发展 有刷直流电动机采用机械电刷对电流进行换向,存在较多缺点。1917年, Boliger提出用整流管代替有刷直流电机的基本思想。1955年,美国D.Harrison等人首次申
10、请了用整流管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利,标志着现代无刷电机的诞生。 无刷直流电动机按其反电势的波形和绕组电流的波形,可分为方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机。,方波无刷直流电动机(BLDCM)。它是无刷直流电动机的最初形式。上世纪60年代末至70年代初方波无刷直流电动机一般采用光敏元件和遮光板位置传感器,采用三相半控120相带导通驱动方式。由于受到功率开关器件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约,这一时期的无刷直流电动机并未进入实用阶段。正弦波无刷直流电动机是在永磁同步电动机的基础上演变过来的。最初人们利用永磁体代替同步电动机的励磁线圈和滑环,研制出永磁同步电机。为了能够自
11、启动,常在转子表面附加一个鼠笼或特殊的转子结构和磁滞层,以增加异步转矩。随着变频技术的发展,永磁同步电动机的启动主要靠变频启动,附加鼠笼已没有必要,随之而来的是,永磁同步电动机的结构形式也随之简化。,三发展与现状,2. 近期的发展 近40年来,由于电机本体及其相关学科的迅猛发展,“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。无刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。 无刷直流电机真正进入实用阶段应从1978年开始,当时原西德MANNES-MANN公
12、司的Indramat分部在汉诺威贸易博览会上,正式推出MAC经典无刷直流电机及其驱动器。上世纪80年代在国际上开展了深入的研究,先后研制成了方波无刷电机和正弦波无刷直流电机,在10多年的时间里,无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展发达的国家里,无刷直流电机将在未来的几年中成为主导电机,并逐步取代其它类型的电机。,三发展与现状,3. 最近的发展 刷直流电机在近10年里得到迅速推广应用,这是由于电力电子技术和集成控制技术高速发展的结果,性能优良、价格低廉的电子元器件为制造无刷直流电机创造了基本条件。上世纪80年代初期,电机本体与换向驱动电路的价格比大约为1:10,而当今已降至1:13,这就为大
13、量推广应用创造了先决条件。 进入上世纪90年代,随着永磁材料的出现和完善,特别是钕铁硼的热稳定性和耐腐蚀性能的进一步的发展和改进,加上电力电子器件的大容量、高性能化以及功率变换技术和传动控制技术的确立,以及用于控制的DSP、MPU、ASIC等电子设备的高速、低价格化,使得无刷直流电动机系统控制技术使用了最新控制理论而取得了飞跃发展,在扩大应用领域和提高性能等方面都有长足的进步。,三发展与现状,4. 无刷直流电机的现状 自上世纪末起，无刷直流电动机的研究热潮逐渐形成。在国内，我国的无刷直流电动机的研究在小功率(从几十瓦到几百瓦)已经从科研转向生产，如西安微电机研究所研制的45ZW.1、55ZW.
14、1、70ZW.1系列产品，上海交大研制的卫星上专用的无刷直流电动机，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机，还有浙江联宜电机厂生产的小功率的电动机的生产已经形成一定规模等，但大功率低转速的无刷直流电动机的研究方面发展不快，还未形成系列产品。,三发展与现状,在国外，各国研究人员纷纷推出自己最新科研成果，其中美国的Ahmed Rubaa J博士及其同事共同研制出一种新型的无刷直流电动机，其转子跟普通的无刷直流电动机一样，而其定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转子位置传感器及逻辑开关电路，使定子绕组依次换相。其优点是可在较大范围内自然换向，充分提高了电机体积的利用率。再如:美国的J.Y.H
15、ung博士等人，利用定子电流谐波的最优权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动。还有英国的Y.S.Cen，Z.O.Zhu及David Howe博士研制成功了无齿槽的无刷直流电动机，其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率。,三发展与现状,四发展趋势,四发展趋势,无传感器矢量控制。近些年来,国际上对这方面的研究热情比较高,使之有了长足的发展。但是其性能却比有传感器系统差,尚处在研究阶段,有待于实用化。 永磁材料对电机的促进。电机的未来发展趋势是轻量化、小型化,而在其中起决定性作用的就是永磁材料。伴随着众多永磁材料的诞生,如铝镍钴合金、铁氧体、稀土永磁材料和钕铁硼
16、等等,磁性材料掀起了一场革命。高磁能积的永磁材料,不再需要体积硕大的激励线圈,电机的体积和重量将大减小,电机绕组的线圈也会减少,电机结构将更加简单。,功率模块的智能化。伺服系统的逆变器从采用双极性大功率晶体管GTR向采用MOSFET、IGBT新型功率集成模块PIC方向发展。大大方便了使用并且提高了可靠性。 一体化、数字化的发展。电动机本体、位置传感器和开关控制线路在传统的无刷直流电机中是相对独立的。伴随着工艺和控制技术的发展,这些部分完全可以整合成一个整体,从而减小了元器件和零件,提高了可靠性。而DSP和FPGA等数字技术在电机中的应用,也使得硬件工作可以完全由软件来完成,进一步减少了硬件电路,提高了电机的控制效率。,四发展趋势,最新控制理论的应用。由于采用了位数更高、速度更快的微处理器,使得最新控制理论在交流伺服系统中的应用有了硬件基础。负荷转矩观测、自适应、滑模变结构、状态反馈、H控制等最新控制理论正被应用到交流伺服系统中来,以期提高系统的性能。 智能化。近年来,国内外关于智能控制
