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无刷电机

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  • 发布时间:2013/9/17 14:00:17
  • 作者:银河电气

一、无刷电机概述

  无刷电机是指无换向器(或集电环)和电刷的电机,又称无换向器电机。目前主要应用的无刷电机主要是指无刷直流电机和交流同步伺服电机(永磁同步电机)。因为其噪音低,寿命长等特点而广泛使用。

二、无刷电机特点

无刷直流电机

  无刷直流电机英文简称BLDC。无刷直流电机与有刷直流电机不同的是,无刷直流电机不使用机械的电刷装置,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料,性能上比一般的传统直流电机要好,是当今最理想的调速电机。

  直流无刷电机的本质为采用直流电源输入,并用逆变器变为三相交流电源,带位置反馈的永磁同步电机。

  无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。

交流同步伺服电机(永磁同步电机)

  永磁同步电动机的组成部分:定子、永久磁钢转子、位置传感器、电子换向开关等。

  永磁同步电动机具有结构简单,体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点,主要用于要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能伺服传动系统和直流电机的更新替代电机。

  通常所说的永磁同步电动机是正弦波永磁同步电动机,同一般同步电动机一样,正弦波PMSM的定子绕组通常采用三相对称的正弦分布绕组,或转子采用特殊形状的永磁体以确保气隙磁密沿空间呈正弦分布。这样,当电动机恒速运行时,定子三相绕组所感应的电势则为正弦波,正弦波永磁同步电动机由此而得名。

  正弦波PMSM是一种典型的机电一体化电机。它不仅包括电机本身,而且还涉及位置传感器、电力电子变流器以及驱动电路等。

  内置式永磁同步电机无位置传感器(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)矢量控制系统,通过将滑模观测器和高频电压信号注入法相结合,在无位置传感器IPMSM闭环矢量控制方式下平稳启动运行,并能在低速和高速运行场合获得较准确的转子位置观察信息。

永磁直流无刷电机

永磁直流无刷电机

三、无刷电机应用

无刷直流电机

  无刷直流电机的应用十分广泛,如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说,无刷直流电机可以分为以下三种主要用途:

1、持续负载应用

  主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域,比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用,这类应用成本较低且多为开环控制。

2、可变负载应用

  主要是转速需要在某个范围内变化的应用,对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子,汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等,这类应用的系统成本相对更高些。

3、定位应用

  大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别,这类应用中往往会完成能量的输送,所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求,对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。

  实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不仅限于交直流领域,还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的,但性能优良的无刷电机因受到价格的限制,其应用还不十分广泛。下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。

永磁同步电机

按照不同的工农业生产机械的要求,电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。

1、 定速驱动

  工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行,例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低,结构简单牢靠,维修方便,很适合该类机械的驱动。但是,异步电动机效率、功率因数低、损耗大,而该类电机使用面广量大,故有大量的电能在使用中被浪费了。其次,工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量,通常是通过调节风门、阀来完成的,这其中又浪费了大量的电能。70年代起,人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量,取得可观的节能效果,但变频器的成本又限制了它的使用,而且异步电动机本身的低效率依然存在。

2、 调速驱动

  有相当多的工作机械,其运行速度需要任意设定和调节,但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。

  交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点,越来越引起人们重视,其控制技术日趋成熟,控制器已产品化。中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统,其缺点是不言而喻的。70年代变频技术发展成熟,异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统,其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动,消除齿轮减速装置;其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统,适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐,与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见,在调速驱动的场合,将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器,功率从0.4kW~300kW,体积比同容量异步电动机小1~2个机座号,力能指标明显高于异步电动机,可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多种场合。

3、 精密控制驱动

① 高精度的伺服控制系统

  伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色,应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中,伺服电动机有各种不同的控制方式,例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统,直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。

② 信息技术中的永磁同步电动机

  当今信息技术高度发展,各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展,与其配套的关键部件微电机需求量大,精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动,精度要求更是特别高。例如,硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机,它以近10000rpm的高速带动盘片旋转,盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1~0.3微米处作悬浮运动,其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制,这类微电机目前国内还不能自己制造,有部分产品在国内组装。

  作者:hb­_yinhe

  湖南银河电气有限公司(http://www.vfe.cc)


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