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1永磁無刷直流電機

介紹

永磁無刷直流電動機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機，其性能與恒定勵磁電流的他勵直流電動機相似，可以由改變電樞電壓來方便地調速。與他勵式直流電動機相比，具有體積小、效率高、結構簡單、用銅量少等優點，是小功率直流電動機的主要類型。

基本原理

永磁無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。

1. 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。電動機的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

主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻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120°的U、V、W方波，結合正/反轉信號產生有效的六狀態編碼信號：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六種狀態的依次導通。每種狀態下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°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60°電角度，如此循環，永磁直流電機將產生連續轉矩，拖動負載作連續旋轉。正因為永磁直流電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。

2. 永磁無刷直流電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，與他勵直流電動機的電流-轉矩特性一樣。

電動機的轉矩正比于繞組平均電流：

Tm=KtIav （N·m）

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）

所以電動機繞組中的平均電流為：

Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A）

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，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。

永磁無刷直流電機的轉速設定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令大值為+5V對應的高轉速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何電平即對應相當的轉速n，這就實現了變速設定。

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，發生減速度，直至實際轉速與指令轉速相等為止。可以說，永磁直流電機在允許的電網波動范圍內，在允許的過載能力以下，其穩態轉速與指令轉速相差在1%左右，并可以實現在調速范圍內恒轉矩運行。

由于永磁無刷直流電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，永磁直流電機的力能指針（ηcosθ）比同容量三相異步電動機高12%-20%。

3. 由于永磁無刷直流電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。

中小容量的永磁無刷直流電機的永磁體，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。

近三十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，而永磁直流電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，限制了稀土永磁永磁直流電機的應用領域，但是隨著技術的不斷創新，其價格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列永磁直流電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。稀土永磁永磁直流電機必將以其寬調速、小體積、率和穩態轉速誤差小等特點在調速領域顯現優勢。

根據所用的永磁材料不同，永磁無刷直流電動機分為鋁鎳鈷永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和稀土永磁直流電動機。鋁鎳鈷永磁無刷直流電動機需要消耗大量的貴重金屬、價格較高，但對高溫的適應性好，用于環境溫度較高或對電動機的溫度穩定性要求較高的場合。鐵氧體永磁無刷直流電動機以廉價見長，且性能良好，廣泛用于家用電器、汽車、玩具、電動工具等領域。用稀土永磁材料作磁極制的稀土永磁無刷直流電動機，體積小且性能更好，但價格昂貴，主要用于航天、計算機、井下儀器等。但近些年出現了新一代稀土永磁直流電動機—釹鐵硼永磁無刷直流電動機，由于我國擁有世界80%以上蘊藏量的釹礦資源，因此在價格上具有得天獨厚的優勢，高性能釹鐵硼永磁材料性價比大幅提升，使質優、價廉的釹鐵硼永磁直流電動機在產業化生產中得到了廣泛的應用，同時也促進永磁無刷直流電動機的性能與結構迅速發展。

選用原則

（1）類型的選擇

宜優先選用效率高、價格便宜、溫升低的鐵氧體永磁直流電動機。只有當對性能要求嚴格、體積小、環境溫度較高時才考慮選用鋁鎳鈷永磁直流電動機或稀土永磁直流電動機。

（2）合理選擇電動機的功率

電動機輸出的大功率是有限度的，如果電動機的功率選擇過小，負載超過了電動機的額定輸出功率就會發生電動機過載，過載時會出現電動機發熱、振動、轉速下降、聲音異常等現象，嚴重過載時，將會燒毀電動機。而功率過大，則會造成經濟浪費。因此合理選擇電動機的功率是很重要的。

（3）規格選擇

往往由于實際生產的產品規格不多，給選用產品增加困難。在選擇產品規格時可考慮：在電源電壓可調的場合，可按實際需要選擇轉矩、轉速與產品相應的額定值接近的規格，通過改變電壓得到所需轉速；在電源電壓固定的場合，如果沒有適當規格的產品可供選用時，可先按轉矩選擇適當規格，而產品的電壓與轉速之間可作適當調整。

二、永磁無刷直流電動機在應用時應注意：

（1）如果產品沒有特別說明，一般情況下（例如鋁鎳鈷永磁直流電動機或鐵氧體永磁直流電動機）永磁直流電動機都不允許在額定電壓下反接制動運行，否則會造成永磁體退磁；如確有必要作這種方式運行時，要加限流電阻，以限制電流過大。

（2）按以下步驟對電機好壞進行初步的檢查：

首先檢查電機的外觀：應無劃痕、碰傷和涂鍍層脫落；然后轉動轉軸，應能靈活轉動，無明顯的卡殼現象。檢查電動機的接線是否牢固，并通電運行。電動機在旋轉的過程中應不存在著摩擦，其中突出的是軸承摩擦。軸承磨損后會發出不正常聲音，出現局部過熱溫升現象。

（3）注意電動機因電流過大、溫度變化及拆裝時磁路開路而引起的永磁體退磁，尤其對于鋁鎳鈷永磁電動機，拆裝時要對永磁磁路進行磁短路保護，否則退磁后要另外充磁。

2永磁有刷直流電機

基本原理

有刷電機的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進入電樞繞組，產生電樞電流，電樞電流產生的磁場與主磁場相互作用產生電磁轉矩，使電機旋轉帶動負載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機的結構復雜，可靠性差，故障多，維護工作量大，壽命短，換向火花易產生電磁干擾。 

有刷直流電機的工作原理圖如圖2-1所示。在有刷直流電機的固定部分有磁鐵，這里稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉動部分有環形鐵芯和繞在環形鐵芯上的繞組。

圖2-1所示的兩極有刷直流電機的固定部分（定子）上裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉部分（轉子）上裝設電樞鐵芯。定子與轉子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

種類

①有刷盤式繞組電機。有刷盤式繞組電機以稀土材料粘結在一缸體上，漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內，構成轉子。電機相位靠機械式換相器調整。機械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉動的銅制換相面摩擦來調整電壓相位的。這種電機在使用中電刷一直在磨損，電機的壽命很難超過2000h。同時，由于電機的轉速較高，必須采取兩級齒輪減速，這就帶來了兩個問題，一是噪聲較大，二是效率損失大，經減速后的電機額定效率往往只能達到68%～72%。而電動自行車所用的蓄電池的容量是有限的，一般就是36V/12Ah的容量，如電機效率不高，將使電耗增加，影響續行里程。

②有刷印制繞組電機。有刷印制繞組電機以印制銅箔板作為繞組，電機重量減輕了。由于這種電機全部是在自動生產線上生產的，工藝有可靠保證，從而使電機的壽命提高到3000h，噪聲大幅度下降，效率提高到72%～76%。但這種電機有“嗡嗡”的高頻噪聲，靠齒輪減速后效率仍不理想，有刷換相器的使用使電機壽命無法再提高。

③有刷壓制繞組電機。這種電機通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞組，其效率可提高到74%～78%。這種電機仍然被較多電動自行車廠家采用，但其存在的效率、噪聲、壽命缺陷仍然是必須改進的問題。

輪轂式有齒輪傳動的有刷直流電機，由盤形電樞有刷電機和齒輪減速兼傳動系統兩部分構成。盤形電樞是高速轉動的轉子。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機的構造如圖2-2所示。電機的轉矩通過軸傳遞給級齒輪，經齒輪減速帶動輪轂外殼轉動。

有刷有齒輪轂電機的盤形電樞是薄片形，體積很小，重量特輕，安裝方便。繞組編制好之后，用樹脂加玻璃纖維放進模內熱壓成型，在運行中由于電刷和換向器摩擦，又有齒輪嚙合減速，所以有刷電機的運行聲音比無刷電機聲音要大。

為了適應輪轂結構，將有刷電機設計成電樞放在外邊作為轉子，磁鋼放在電機之內作為定子，多塊磁鋼配多個繞組，設計轉速為180r/min左右的低速電機。圖2-3（a）所示為電機外轉子中尚未經過壓力整形的電樞繞組，，在繞組以內是呈平面環狀整齊排列的換向片。圖2-3（b）所示的是放在外轉子內的間隔排列著10塊磁鋼的定子，在中間的轂板上開有兩個孔，電刷的刷握就設在孔的背側，電刷帶著導線被彈簧從刷握中彈出。

有刷電機的定子軸端套有一個螺母，其作用是防止在加工中損傷軸上的螺紋。把電刷整理好裝入刷握中，然后將這一端送進圖2-3（a）所示的孔中，電刷就可以接觸換向器平面，借助彈簧的彈力對換向器壓緊，而磁鋼正好進入外轉子繞組中，只留一個很小的環形氣隙。這個環形氣隙的直徑越大，電機產生的轉矩也越大。

由于有刷電機在設計中的改進，無須齒輪減速，可實現低噪聲、低成本。很多低價位的電動自行車廣泛采用了這種電機。但這種電機扭矩小，載重負荷小，爬坡能力不佳，使用時耗電較多，仍然采用機械式的電刷換相器，電機壽命問題尚未得到解決，因此中電動自行車均未采用這種電機。

3用途

在舞臺燈光方面，永磁直流電機，特別是小型永磁直流齒輪電機的用量非常大。計算機行業中的打印機、掃描儀、硬盤驅動器、光盤驅動器、刻錄機、冷卻風扇等都要用到大量的永磁直流電機。

汽車行業中的各種風扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、打氣泵更是用到各種永磁直流電機。賓館中的自動門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統、柔巾機等都用到永磁直流電機、在武器裝備中，永磁直流電機廣泛應用于導彈、火炮、人造衛星、宇宙飛船、艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達、戰車等場合。

在工農業方面，永磁直流電機也廣泛用于電氣和自動化控制及儀器儀表中。在醫用方面，永磁直流電機用處更不小，如醫用的各種儀器、手術工具，如開腦手術中的電動鋸骨刀，特別是野外手術中的各種儀器基本上都是用的永磁直流電機。在殘疾人用品方面，如機械手、殘疾車等都用到永磁直流電機。在生活方面，用處更多，連牙刷也用永磁直流電機做成電動牙刷了。永磁直流電機的應用真是舉不勝舉，可以說是無處不在。

隨著時代的發展，永磁直流電機的應用會更多，原先用交流電機的許多場合均被永磁直流電機所替代。特別是出現永磁無刷電機后，永磁直流電機的生產數量在不斷地上升。我國每年生產的各種永磁直流電機大達數十億臺以上，生產永磁直流電機的廠家不計其數。