簡(jiǎn)述無(wú)刷直流電機(jī)

陳天殷

（美國(guó)亞派克機(jī)電（杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

簡(jiǎn)述無(wú)刷直流電機(jī)

陳天殷

（美國(guó)亞派克機(jī)電（杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

介紹無(wú)刷直流電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，發(fā)展趨勢(shì)和相關(guān)的研究進(jìn)展。介紹無(wú)刷電機(jī)在汽車(chē)中燃油泵、電子轉(zhuǎn)向、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和電動(dòng)車(chē)輛控制的應(yīng)用現(xiàn)狀，可達(dá)到的主要參數(shù)和性能指標(biāo)。

無(wú)刷直流電機(jī)；工作電壓；工作壽命；可靠性

1 無(wú)刷直流電機(jī)概述

應(yīng)對(duì)環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，汽車(chē)的能效法規(guī)日益嚴(yán)格；消費(fèi)者對(duì)節(jié)能、安全、便捷和舒適度提出更高的要求，都推動(dòng)汽車(chē)功能電子化趨勢(shì)日益加強(qiáng)。目前的汽車(chē)已不再是當(dāng)初單純的機(jī)械產(chǎn)品，已成為復(fù)雜度足夠高的機(jī)電一體化產(chǎn)品。國(guó)際汽車(chē)權(quán)威組織預(yù)測(cè)，至2020年，一輛豪華車(chē)中的電機(jī)數(shù)量可多達(dá)120臺(tái)。無(wú)刷直流電機(jī)具有優(yōu)異的性能，能實(shí)現(xiàn)更高的能效和性價(jià)比，在數(shù)字電子技術(shù)飛速發(fā)展過(guò)程中，無(wú)刷直流電機(jī)被整合至汽車(chē)的執(zhí)行元件中，如散熱風(fēng)扇、暖通空調(diào)（HVAC）、刮水器、燃油泵、水泵、油泵、座椅風(fēng)扇和混合動(dòng)力系統(tǒng)等部件里。

無(wú)刷直流電機(jī)（英文為Brushless DC Motor， 簡(jiǎn)寫(xiě)為BLDC）屬于一種極典型的機(jī)電一體化的基礎(chǔ)產(chǎn)品，作為執(zhí)行元件的電機(jī)與其控制裝置緊密關(guān)聯(lián)，構(gòu)成能完成復(fù)雜功能的自動(dòng)化器械。無(wú)刷電機(jī)中無(wú)電刷和換向器或集電環(huán)一類(lèi)的機(jī)械構(gòu)件，由晶體管電路電子換向?qū)⒔涣鬓D(zhuǎn)換為直流，以及直流逆變?yōu)榻涣?。無(wú)須顧忌磨損、粉塵、噪聲、火花和高強(qiáng)度的電磁干擾，并為汽車(chē)內(nèi)特定的應(yīng)用提供良好的無(wú)級(jí)變速控制。國(guó)際汽車(chē)權(quán)威組織稱(chēng)，無(wú)刷電機(jī)顯著地提升燃油能效和燃油經(jīng)濟(jì)性，節(jié)省60 %～70 %的能耗；無(wú)刷電機(jī)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS），行駛距離會(huì)增加 3 %～5 %；用于電動(dòng)水泵（EWP）及電動(dòng)油泵（EOP），提升約1 %～3 %的能效。

無(wú)刷電機(jī)是成熟于20世紀(jì)末的新產(chǎn)品，由于它高效、低噪、免維護(hù)、高可靠等種種優(yōu)勢(shì)，正快速普及至家用電器、醫(yī)療器械、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備儀器儀表和航天航空，自然也有汽車(chē)行業(yè)。與有刷直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比，BLDC優(yōu)勢(shì)顯著，包括：極佳的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，高效率，極寬的無(wú)級(jí)可調(diào)的轉(zhuǎn)速范圍，運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)噪音，高可靠性，使用壽命長(zhǎng)。

2 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似交流同步電機(jī)，藉電力電子技術(shù)（逆變器）輸入交流信號(hào)到電機(jī)。該交流信號(hào)并不一定是傳統(tǒng)的工頻正弦波，而是雙向的直流電，當(dāng)然有一定的紋波。最簡(jiǎn)化的實(shí)用形式是兩組永久磁鋼及兩組線圈輪流開(kāi)關(guān)通電，線圈作為定子，永久磁鋼組成轉(zhuǎn)子。線圈與磁鋼的中心線一致時(shí)，斷開(kāi)該組線圈，啟動(dòng)下一組線圈，這樣電機(jī)就周而復(fù)始旋轉(zhuǎn)。圖1為儀表冷卻風(fēng)扇示意圖。

無(wú)刷電機(jī)相對(duì)其它類(lèi)型，其電機(jī)的單位體積輸出轉(zhuǎn)矩更高。因而在需要重點(diǎn)考慮空間和質(zhì)量因素的應(yīng)用場(chǎng)合，大有用武之地。無(wú)刷電機(jī)的定子由沖壓出齒和槽的硅鋼片疊片疊壓而成，若是分布繞組就類(lèi)同三相感應(yīng)電機(jī)，沿著圓周表面空間分布的三相繞組，嵌入在電機(jī)的槽中。三相繞組常常采用星形連接，繞組通以時(shí)間上隨梯形或正弦規(guī)律變化的電流，即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。與轉(zhuǎn)子上分布粘接的高磁能積的片狀永磁體作用形成旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。圖2為內(nèi)轉(zhuǎn)子型無(wú)刷電機(jī)工作原理圖。三相繞組應(yīng)用的不是50 Hz的工頻交流電，而是由控制器內(nèi)脈寬調(diào)制（PWM）線路出來(lái)的、占空比可調(diào)的交變電流。

圖1 儀表冷卻風(fēng)扇

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)子型無(wú)刷電機(jī)工作原理

外轉(zhuǎn)子型無(wú)刷電機(jī)，定子鐵心的外圓周表層的齒槽嵌入三相繞組，也常是星形連接。扇弧形的稀土磁鋼粘接在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周表面。常見(jiàn)的電動(dòng)自行車(chē)后輪輪轂里的電機(jī)，便是外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)，有8對(duì)尺寸相同的釹鐵硼（NdFeB）稀土磁鋼的磁極，N、S交替排列，內(nèi)定子有48槽的定子鐵心，嵌入三相繞組，每極每相槽數(shù)為1，相鄰的槽中為非同相的繞組。3個(gè)位置傳感器放置在毗鄰的定子槽表層，輸出信號(hào)間的相移為120 o?？刂茊卧推?chē)儀器儀表的冷卻風(fēng)扇、風(fēng)葉與外轉(zhuǎn)子注塑一體，也是常見(jiàn)的無(wú)刷電機(jī)。

3 無(wú)刷直流無(wú)刷電機(jī)的基本原理

無(wú)刷電機(jī)可配置為單相、兩相和三相等3種類(lèi)型，定子繞組的組數(shù)與其類(lèi)型相對(duì)應(yīng)。三相因其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，廣受歡迎，使用最為普遍，是本文的討論對(duì)象。

位置傳感器實(shí)現(xiàn)精確的電子換向；脈寬調(diào)制（PWM）產(chǎn)生交變電源，是無(wú)刷電機(jī)兩項(xiàng)核心技術(shù)。

3.1 位置傳感器

識(shí)別和確定各相繞組與磁極（中心線）相對(duì)位置，以決定如何實(shí)現(xiàn)各繞組精準(zhǔn)的換向，須運(yùn)用快速反應(yīng)的位置傳感器。目前無(wú)刷直流電機(jī)中廣泛應(yīng)用的是霍爾傳感器，體積極小、可靠性好、靈敏度高、分辨率極高?；魻杺鞲衅鞣胖玫奈恢萌Q于控制的需要，傳感器輸出電信號(hào)之間的相序可以是60°或120 °。設(shè)計(jì)控制器時(shí)據(jù)此安排并遵循其換向順序。

連帶著電源線和信號(hào)線的必是定子。圖3為拆分的外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)。定子左下方的引線，上邊白藍(lán)紅黑4條粗線是ABC三相的電源線和星點(diǎn)中線，下面較細(xì)的是3個(gè)位置傳感器霍爾元件信號(hào)線。手持的外轉(zhuǎn)子兩對(duì)弧形永久磁鋼，粘接在剩磁極小牌號(hào)為DT3、DT4一類(lèi)的電工純鐵或含碳量極低的低碳鋼（8號(hào)、10號(hào)鋼）制作的磁軛圈內(nèi)壁。

圖3 外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)

無(wú)刷直流電機(jī)以電子控制的方式精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)換向。欲使無(wú)刷電機(jī)正?？煽氐匦D(zhuǎn)，必須按照一定的順序給定子繞組依次通電。而確定各相繞組依次通電的順序，須明確每一瞬間繞組相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁極的位置。實(shí)際轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，是由鑲嵌在定子表面3個(gè)相鄰而不同相的霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)、標(biāo)定并輸出信號(hào)。每當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)某一霍爾傳感器，便會(huì)發(fā)出一高電平信號(hào)，表示N極或S極正經(jīng)過(guò)該傳感器。根據(jù)這3個(gè)霍爾傳感器信號(hào)的組合，即可確定換向的精確順序。

當(dāng)電流通過(guò)磁場(chǎng)的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的的作用力（洛倫茲力），在導(dǎo)體的兩端建立穩(wěn)定的電勢(shì)差，即為霍爾效應(yīng)，見(jiàn)圖4。

圖4 霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)的原理可用下述公式概括

式中：E——霍爾效應(yīng)電壓；K——霍爾器件的靈敏度，是常數(shù)；I——霍爾器件的工作電流；B——外部磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；θ——I與B的垂直角度的偏差。

顯然，在K、B、I、θ4個(gè)物理量中，若確定其中3個(gè)，剩下一個(gè)即是被測(cè)量的量。而檢測(cè)霍耳電壓的大小可判斷磁鋼與霍爾元件的相對(duì)位置。

對(duì)一個(gè)給定的霍爾器件，當(dāng)偏置電流 I 固定時(shí)，UH將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B?；魻柋∑瑑啥送ㄒ钥刂齐娏鱅，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。

圖5為霍尼韋爾（Honeywell）公司生產(chǎn)的型號(hào)為SS41的位置傳感器。該元件實(shí)際尺寸僅為一粒綠豆的半瓣大小，印有型號(hào)和企業(yè)名的小平面裝置在垂直于永磁體磁力線的位置——或說(shuō)該面需與永磁體表面平行。3條引接線自下而上依次為5 V電源、搭鐵腳和輸出腳。傳感器的六面體外表制作成倒碶形，便于嵌入鐵心的梯形沖槽槽楔位置里，作為槽楔的一部分。

圖5 霍爾傳感器

霍爾傳感器工作電壓為4～24 V，所需電流為5～15 mA。設(shè)計(jì)控制器時(shí)，查閱電機(jī)技術(shù)規(guī)范和傳感器的元器件產(chǎn)品樣本，即可明確該選用的霍爾傳感器類(lèi)型和型號(hào)。霍爾傳感器的輸出通常采用集電極開(kāi)路的類(lèi)型。

電機(jī)的原理是載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組如果通有相序?yàn)?20°的三相交變電流，再通過(guò)電子換向精巧的安排，確保輸出方向一致，即輸出為最大轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩也可以理解為定子繞組產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)與永磁體之間相互作用而產(chǎn)生。轉(zhuǎn)矩峰值出現(xiàn)在兩個(gè)磁場(chǎng)正交之時(shí)，而平行時(shí)最弱。為確保電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，電子換向需使定子繞組各個(gè)導(dǎo)體中的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與相對(duì)永磁體位置的磁場(chǎng)分布有最大轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。圖6為霍爾傳感器輸出信號(hào)與其他參數(shù)示意圖，有助于解析認(rèn)識(shí)六步換向。

圖6 霍爾傳感器輸出信號(hào)與其他參數(shù)示意圖

由圖6中可以看出，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的，但幅值變化并不大。2個(gè)電周期完成電機(jī)輸出軸在機(jī)械上的一周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖7為霍爾傳感器給各繞組充電順序示意圖，與圖6標(biāo)識(shí)的序號(hào)對(duì)應(yīng)。

圖7 霍爾傳感器給各繞組充電順序示意圖

從圖6、圖7可以看到每一次的換向（一個(gè)序號(hào)）都有一相繞組連接到控制電源的正極（電流流入繞組），第二相的繞組連至負(fù)極（電流從其中流出），第三相繞組處于失電狀態(tài)（為0）。這樣，6個(gè)序號(hào)3組繞組依次輪換工作，完成六步換向。從圖7看出，每當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)60 o，霍爾傳感器就會(huì)改變一次狀態(tài)，在同步模式下，每轉(zhuǎn)過(guò)60 o相電流變換一次。2個(gè)電周期對(duì)應(yīng)于完整的轉(zhuǎn)子輸出軸1個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)周期。每對(duì)磁極需要完成1個(gè)電周期，所以，電周期數(shù)/轉(zhuǎn)數(shù)=定子或轉(zhuǎn)子永磁體的磁極對(duì)數(shù)。

3.2 PWM調(diào)制方式

無(wú)刷電機(jī)使用直流電源，電機(jī)繞組里流動(dòng)的是交變電流。圖8為實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)控制的原理框圖。T1～T6是由單片機(jī)控制的功率開(kāi)關(guān)。根據(jù)無(wú)刷電機(jī)的電壓、額定電流，這些開(kāi)關(guān)可以是MOSFET或IGBT，也可以是簡(jiǎn)單的雙極性晶體管。

圖8 無(wú)刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)

表1、表2為電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)各項(xiàng)電流的相位順序。

表1 電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的順序

表2 電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的順序

例如，替代傳統(tǒng)刮水器有刷直流電機(jī)的無(wú)刷電機(jī)需要轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)，這都由脈寬調(diào)制PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

無(wú)刷電機(jī)控制框圖見(jiàn)圖9。其控制器為美國(guó)微芯科技公司（Microchip）生產(chǎn)的型號(hào)為PIC18FXX31的單片機(jī)。PWM0 ～ PWM5的信號(hào)根據(jù)規(guī)定的順序在導(dǎo)通（On）和關(guān)斷（Off）之間切換，電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。如果需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，信號(hào)必須以遠(yuǎn)高于電機(jī)頻率的交變頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制PWM，一般情況下，PWM的頻率至少在電機(jī)頻率的10倍以上。PWM的占空比在一次換向過(guò)程中變化時(shí)，提供給繞組的平均電壓會(huì)降低，從而使轉(zhuǎn)速降低。必須注意是：若直流母線電壓遠(yuǎn)高于電機(jī)的額定電壓，可通過(guò)限制PWM的占空比來(lái)控制電機(jī)。這樣極大地增加了汽車(chē)中應(yīng)用的靈活性，可使控制器與標(biāo)識(shí)不同額定電壓的電機(jī)協(xié)同工作，通過(guò)控制PWM的占空比，使控制器的平均輸出電壓與電機(jī)額定電壓相匹配。

圖9 無(wú)刷電機(jī)的控制框圖

與模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道相連接的定位器（圖9左上角的“REF”） ，用于設(shè)置轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)電壓，將根據(jù)該輸入電壓計(jì)算PWM的占空比。

和所有現(xiàn)代機(jī)電一體化的產(chǎn)品一樣，為了提高控制精度，控制信號(hào)會(huì)在被控制的輸出中給出一路反饋，返回到控制器輸入端，根據(jù)控制結(jié)果不斷實(shí)時(shí)調(diào)整、補(bǔ)償和修正控制信號(hào)，這種“旁鏈”的方式叫閉環(huán)控制。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過(guò)測(cè)量電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)施閉環(huán)控制。先計(jì)算設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速之間的允許誤差，用PID （比例–積分-微分， Proportional Plus- Integral plus-Derivative） 控制器放大轉(zhuǎn)速誤差，動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM的占空比。PID一般由如下表達(dá)式表示

式中：Kp ——比例控制，輸出與輸入誤差信號(hào)成正比關(guān)系，即將誤差固定比例修正，但系統(tǒng)會(huì)有穩(wěn)態(tài)誤差；Ti——積分控制，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，將誤差取時(shí)間的積分，即便誤差很小也能隨時(shí)間增加而加大，使穩(wěn)態(tài)誤差減小直到為零；Td——微分控制當(dāng)系統(tǒng)在克服誤差時(shí)，其變化總是落后于誤差變化，表示系統(tǒng)存在較大慣性組件或（且）有滯后組件。微分即是預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，以便提前作用避免被控量嚴(yán)重沖過(guò)頭。

如果要求高分辨率的轉(zhuǎn)速測(cè)量，常在電機(jī)上安裝光電式編碼器，它會(huì)給出有90o相位差的2個(gè)信號(hào)，以此判定電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。多數(shù)編碼器還給出第3個(gè)索引信號(hào)（排序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周發(fā)出一個(gè)脈沖，被作為定位應(yīng)用。廠商提供的光電式編碼器有不同的型式可供選用，范圍在數(shù)百至數(shù)千脈沖/轉(zhuǎn)。

對(duì)于低分辨率低成本的轉(zhuǎn)速要求，可用霍爾元件信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)速反饋。對(duì)驅(qū)動(dòng)器必須有過(guò)載、過(guò)壓、堵轉(zhuǎn)及欠壓等保護(hù)措施。

3.3 無(wú)傳感器控制的無(wú)刷電機(jī)

無(wú)刷電機(jī)還能通過(guò)監(jiān)視反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)來(lái)?yè)Q向。霍爾傳感器的信號(hào)和反電勢(shì)間的關(guān)系見(jiàn)圖6?；魻杺鞲衅餍盘?hào)會(huì)在反電動(dòng)勢(shì)電壓極性由正變?yōu)樨?fù)或負(fù)變?yōu)檎乃查g改變狀態(tài)。理想情況下，在反電勢(shì)過(guò)零值時(shí)發(fā)生，但由于繞組的電感特性而會(huì)有延時(shí)，該延時(shí)可由單片機(jī)設(shè)置成自動(dòng)補(bǔ)償。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)每個(gè)繞組都會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)E，根據(jù)楞次定律，其電壓大小與轉(zhuǎn)子角速度ω、轉(zhuǎn)子永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度l、直徑r和定子繞組每相的匝數(shù)N成正比，其方向與提供給繞組的電壓相反。圖10為無(wú)傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制框圖。

圖10 無(wú)傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制框圖

特殊情況時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，在轉(zhuǎn)速極低的情況下，反電動(dòng)勢(shì)的幅值會(huì)極低，很難檢測(cè)到過(guò)零之點(diǎn)。故當(dāng)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，必須采用開(kāi)環(huán)控制，待有能夠檢測(cè)到過(guò)零之點(diǎn)的反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，才由反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)控制?？蓹z測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的最低轉(zhuǎn)速通過(guò)該電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)計(jì)算得出。

這種方案無(wú)需霍爾傳感器，省略了電機(jī)與霍爾傳感器配套的永磁體，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，減少了元器件，提高了電機(jī)可靠性。

4 無(wú)刷電機(jī)特性

4.1 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性

無(wú)刷電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩，分別表征了電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩和以均方根值表達(dá)的平均連續(xù)轉(zhuǎn)矩。圖11為無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性圖。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的負(fù)載會(huì)增加直達(dá)額定轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前都保持轉(zhuǎn)矩不變。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的150 %，超過(guò)額定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)矩開(kāi)始下降。

圖11 無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性圖

經(jīng)常帶負(fù)載啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)應(yīng)用，需要比額定轉(zhuǎn)矩更大的轉(zhuǎn)矩，尤其是當(dāng)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)并加速時(shí)，需要瞬間的最大轉(zhuǎn)矩來(lái)完成，克服負(fù)載和電機(jī)自身的慣量。電機(jī)按轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線運(yùn)轉(zhuǎn)，既能提高更高的轉(zhuǎn)矩，又可達(dá)到最大的峰值轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)與供電電壓間的電壓差足以使電機(jī)維持額定電流，提供額定轉(zhuǎn)矩。若超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，反電動(dòng)勢(shì)顯著增長(zhǎng)，即會(huì)降低繞組兩端的壓降，減小電流，使轉(zhuǎn)矩曲線下降。轉(zhuǎn)速曲線的的最終一點(diǎn)表示供電電壓等于反電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)中壓降損失之和，這時(shí)電流和轉(zhuǎn)矩皆為零。

無(wú)刷電機(jī)響應(yīng)快捷，有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從靜止至額定轉(zhuǎn)速，具備提供額定轉(zhuǎn)矩的性能。直流電機(jī)欲實(shí)現(xiàn)額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)需恒定地維持90o，由電刷換向器及電刷放置在相對(duì)于磁極的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械換向的弊端導(dǎo)致其逐漸淘汰。電子換向因?yàn)榘雽?dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，關(guān)鍵部件微處理器（單片機(jī)）性能大幅提升，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一周旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標(biāo)系統(tǒng)之中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸的電流分量，達(dá)到類(lèi)似直流電機(jī)控制并有直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好、調(diào)速范圍寬，但高性能的應(yīng)用場(chǎng)合需要電流反饋來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，需要匯線電流反饋來(lái)防止電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過(guò)流。通過(guò)增加電流閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)極快的電流源逆變器一般的性能，被稱(chēng)為電流調(diào)節(jié)電壓源逆變器。驅(qū)動(dòng)中的直流電壓調(diào)節(jié)既可通過(guò)直流電源逆變器的可控整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)在變換器中將脈寬調(diào)制信號(hào)施加在上開(kāi)關(guān)或下開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)施。圖12為A相（紅色）導(dǎo)通時(shí)的工作情況。無(wú)刷電機(jī)與有刷直流電機(jī)對(duì)比見(jiàn)表3，與感應(yīng)電機(jī)對(duì)比見(jiàn)表4。

圖12 A相（紅色）導(dǎo)通時(shí)的工作情況

表3 無(wú)刷電機(jī)與有刷直流電機(jī)對(duì)比

表4 無(wú)刷電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)對(duì)比

4.2 無(wú)刷電機(jī)的特點(diǎn)

1）能低速大功率大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，直接驅(qū)動(dòng)大型負(fù)載。無(wú)須笨重的機(jī)械式減速機(jī)，不僅可替代異步電機(jī)+減速機(jī)調(diào)速，亦可替代變頻器+變頻電機(jī)調(diào)速或低效率的直流電機(jī)調(diào)速。

2）能量轉(zhuǎn)換效率高，電機(jī)本身無(wú)勵(lì)磁和碳刷換向器損耗；低速運(yùn)行，回避了機(jī)械減速多級(jí)減速的效率耗損，綜合節(jié)電率25 %～60 %。

3）轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)良，中低速時(shí)轉(zhuǎn)矩性能尤佳，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小。

4）無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)。

5）軟啟動(dòng)軟制動(dòng)。制動(dòng)特性好，無(wú)需一般電機(jī)機(jī)械制動(dòng)或電磁制動(dòng)的裝置。

6）體積小，質(zhì)量輕，輸出轉(zhuǎn)矩大。

7）耐震動(dòng)顛簸，噪音低，振動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，壽命長(zhǎng)。

8）無(wú)火花換向，電磁干擾小，適合有爆炸性氣體和粉塵的場(chǎng)所。

9）穩(wěn)定性好，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，維修與保養(yǎng)簡(jiǎn)單。

10）根據(jù)需要可選擇梯形波磁場(chǎng)電機(jī)和正弦波磁場(chǎng)的電機(jī)。

定子繞組在定子鐵心圓周上的分布和繞組不同的連接方式，造就兩種不同的無(wú)刷電機(jī)。正弦電機(jī)具有正弦形式的反電動(dòng)勢(shì)，正弦波控制的無(wú)刷直流無(wú)刷電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，運(yùn)行更平穩(wěn)、噪聲更小、開(kāi)關(guān)損耗最小、效率更高。但正弦電機(jī)繞組額外的互聯(lián)，增加了用銅量，增加了成本。

其缺點(diǎn)如下：稀土永磁體材料及加工成本較高，控制器成本亦相對(duì)價(jià)格較高昂；稀土永磁體的環(huán)境使用溫度受居里點(diǎn)限制，要求無(wú)刷電機(jī)有良好的通風(fēng)散熱機(jī)制；少數(shù)機(jī)型在低速啟動(dòng)時(shí)有輕微振動(dòng)，但隨速度上升換相頻率增大，振動(dòng)即消除。也許是電機(jī)自身機(jī)械固有頻率與電機(jī)電磁場(chǎng)頻率成倍數(shù)關(guān)系時(shí)的共振現(xiàn)象，需通過(guò)改變電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改進(jìn)。

5 應(yīng)用

無(wú)刷直流電機(jī)在汽車(chē)上的主要應(yīng)用可分成3類(lèi)：持續(xù)負(fù)載，需要一定轉(zhuǎn)速，而對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域。如風(fēng)扇、排氣扇和機(jī)油泵等。成本低，且為開(kāi)環(huán)控制?？勺冐?fù)載，轉(zhuǎn)速某一范圍內(nèi)變化，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性有較高的需求。如燃油泵、電控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等。這類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)成本相對(duì)較高。定位應(yīng)用，對(duì)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有更高的要求。與一般自動(dòng)控制系統(tǒng)和工業(yè)控制一樣，配合光電或同步設(shè)施來(lái)測(cè)速，進(jìn)行過(guò)程控制。如蘭博基尼有一款跑車(chē)的前照燈自適應(yīng)照明，就是采用的無(wú)刷直流電機(jī)。

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，48 V以下額定電壓的無(wú)刷電機(jī)用作汽車(chē)、機(jī)器人、小型機(jī)械臂和牽引、驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置；100 V以上額定電壓的無(wú)刷電機(jī)適用于家用電器、自動(dòng)化和工業(yè)應(yīng)用。

例如電動(dòng)燃油泵用的無(wú)刷電機(jī)。電動(dòng)燃油泵是汽車(chē)電控燃油噴射系統(tǒng)的核心組成部分，其功能是將油箱內(nèi)的燃油吸出并輸送給燃油系統(tǒng)，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置都采用有刷直流電機(jī)。機(jī)械換向帶來(lái)維修困難、EMC性能差、壽命短、換向火花的安全隱患和換向噪聲等弊端。無(wú)刷直流電機(jī)是理想的替代者。汽車(chē)燃油泵的功率為10～20 W。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)刷電機(jī)不僅需要高磁能積的稀土永磁材料，還與電子科技、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及材料科學(xué)等發(fā)展緊密聯(lián)系，要求我們熟悉交流直流、電動(dòng)發(fā)電能量轉(zhuǎn)換、數(shù)字與模擬以及信號(hào)傳感器等領(lǐng)域。無(wú)刷直流電機(jī)以及高集成度的電機(jī)控制方案必成未來(lái)趨勢(shì)。在中國(guó)，因?yàn)殡妱?dòng)自行車(chē)的普及和核心動(dòng)力永磁無(wú)刷直流電機(jī)大量生產(chǎn)，極大推動(dòng)中國(guó)在這一領(lǐng)域發(fā)展，筆者一直從事電機(jī)及其控制工作，也從事過(guò)該類(lèi)電機(jī)的設(shè)計(jì)和工藝的實(shí)踐，轉(zhuǎn)入汽車(chē)行業(yè)已十余年，看到無(wú)刷電機(jī)已強(qiáng)勢(shì)進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，遂成此文與同道交流。

［1］Tom Dento．Automobile Electronic & Electronic Systems ［M］．Elsevies Butterworth Heinemann Co.Ltd.， 2009．

［2］Ronald K．J．Automotive Electronic Handbook（Third Edition）［M］．McGrow – Hill Corpanics Inc. 2008．

［3］譚建成．永磁無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

（編輯 心 翔）

Brief Discussion on Brushless DC Motor

CHEN Tian-yin
（Apeks Motors （Hangzhou） Co.， Ltd.， Hangzhou 310013， China）

This article introduces structure， working principle， main merits and application of brushless DC motor and its recent development; its current application in fuel pump， electronic steering， engine control and vehicle control， as well as achievable parameters and indexes.

BLDC motor; working voltage; working life; reliability

U464.17

B

1003-8639（2017）06-0068-007

2016-07-29

陳天殷，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠?chē)電機(jī)電器及電子。