無刷直流電機的原理與應(yīng)用

何劍文

摘 要：無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種集電機和電子一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，不僅具有體積小、重量輕、效率高、控制精度高等有點，同時還保留了普通直流電機優(yōu)良的機械特性。因此，本論文介紹了無刷直流電機的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點，分析無刷直流電機的優(yōu)越性和使用方向，展望其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機 性能和使用 應(yīng)用場景

引 言

隨著人類社會的進步，現(xiàn)代家庭生活對家用電器的種類、性能、品質(zhì)提出了更高的要求。特別是帶有調(diào)速電機的各種家用電器對電機的轉(zhuǎn)矩性能、運行平穩(wěn)度、調(diào)速范圍、以及能效、噪音等都提出更高的要求。隨著半導(dǎo)體工業(yè)，特別是電子器件及微控制器的發(fā)展，變速驅(qū)動變得更加現(xiàn)實且成本更低。由此可見，直流無刷電機相對于其它類型電機來說是一種新型電機，它的驅(qū)動、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)，因此，對無刷直流電機及其控制的方法進行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實意義。

1、無刷直流電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1無刷直流電機的組成。無刷直流電機與有刷直流電機相似，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電驅(qū)。這樣電子換相線路中的功率開關(guān)器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電驅(qū)繞組連接。在電機內(nèi)，裝有一個轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置，它與電子換相線路一起，代替了有刷直流電機的機械換相裝置。綜上所述，無刷直流電機由電機本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成。

1.1.1電機本體。電機本體在結(jié)構(gòu)上與永磁電動機相似，但沒有籠型繞組和其它啟動裝置。

1.1.2轉(zhuǎn)子位置傳感器。轉(zhuǎn)子位置傳感器在直流無刷電機中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。

1.1.3電子換相線路。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各項繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。

1.2基本工作原理。直流無刷電機為了實現(xiàn)無刷換相，首先要求把一半直流電機的電驅(qū)繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電機的結(jié)構(gòu)剛好相反，所以直流無刷電機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電機本體以外，還要由位置傳感器、控制電路以及工具邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置，使得直流無刷電機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁場。

2、直流無刷電機的優(yōu)越性

無刷直流電機用一套電機換向裝置代替了有刷直流電動機的機械換向裝置，保留了有刷電機寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，同時又客服了有刷直流電機機械換向帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等一系列缺點，無刷直流電機還有具有高能量密度，高轉(zhuǎn)矩慣性比、高效率等特點，在快速性、可控性、可靠性、經(jīng)濟性等方面具有明顯的優(yōu)勢，且制造和維護成本大大降低，其優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1具有傳統(tǒng)直流電機的所有優(yōu)點，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)；

2.2體積小、重量輕、出力大；

2.3全面替代直流電機調(diào)速，全面替代變頻器+變頻電機調(diào)速，全面替代異步電機+減速機調(diào)速；

2.4轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流?。?/p>

2.5可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強，維修與保養(yǎng)簡單；

2.6可以低速大功率運行，省去減速機驅(qū)動大的負載；

2.7沒有無線電干擾，不產(chǎn)生火花，特別適合爆炸性場所，有防爆型；

2.8軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機械制動或電磁制動裝置；

2.9無極調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力強；

2.10耐顛簸震動，噪音低，震動小，運轉(zhuǎn)平滑，壽命長。

3、直流無刷電機兩種技術(shù)特點分析

3.1在無刷直流電機中，反電勢和驅(qū)動電流（電壓）波形為方波的電機通常稱為方波無刷直流電機，反電勢和驅(qū)動電流（電壓）波形為正弦波的電機稱為正弦波無刷直流電機。

3.2方波的優(yōu)點為扭矩大、易于控制；缺點為噪音大、轉(zhuǎn)矩脈動在低速時尤其明顯；

3.3正弦波的優(yōu)點為噪音小、小區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動、低速平滑轉(zhuǎn)動、效率更高，還具有欠壓保護，過壓保護，限電流保護，堵轉(zhuǎn)保護等一系列 保護功能；缺點為控制復(fù)雜、成本高、核心算法難于突破。

3.4在高檔加點產(chǎn)品中，正弦波驅(qū)動系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而在中、低檔家電產(chǎn)品中方波驅(qū)動系統(tǒng)的價格優(yōu)勢體現(xiàn)的更為明顯，仍將在一段時間內(nèi)大量使用，隨著人們生活水平的日益提高和不斷改善生活質(zhì)量的要求，無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)必將越來越廣泛應(yīng)用于我們生活的每一個角落，并向更完善的方向發(fā)展。顯然，作為無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)秀代表--正弦波無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)必然是發(fā)展方向。

4、直流無刷電機在家電領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

4.1空調(diào)和冰箱中都有壓縮機電機，傳統(tǒng)的壓縮機用電機通常為異步電機，無刷直流電機具有明顯優(yōu)點，效率高；轉(zhuǎn)速不受電壓頻率限制，有利于壓縮機提高容量、減少體積；功率因數(shù)高，降低了對逆變器的容量要求，無刷直流電機應(yīng)用在壓縮機中，將會滿足現(xiàn)代社會節(jié)能環(huán)保要求。

4.2洗衣機中一般采用單相異步電機，近年來隨著對洗衣機功能要求的提高，無刷直流電機在洗衣機中也得到應(yīng)用，不帶任何機械減速和傳動裝置，由直流無刷電機直接驅(qū)動洗衣機滾筒，采用無極調(diào)速，洗衣機低速運轉(zhuǎn)，脫水時高速運轉(zhuǎn)，故障率很低，提高產(chǎn)品檔次。

總 結(jié)

面對目前能源緊張，環(huán)境污染，氣候變暖，信息網(wǎng)絡(luò)社會和機器人產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的時代，為滿足人與自然的和諧共存，性能優(yōu)良的無刷電機必將有很大市場，同時磁性材料、電力電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，為無刷直流電機的發(fā)揮在那提供了基礎(chǔ)，由于無刷直流電機具有高效率低能耗、高出力省材料、小型化輕重量和高性能高可靠等優(yōu)點，已廣泛使用與合個領(lǐng)域，其市場前景十分看好，必將成為未來電機發(fā)展的主流。