無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)特性、選用選型及其應(yīng)用

　　無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 無(wú)刷電機(jī)是指無(wú)電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機(jī)，又稱(chēng)無(wú)換向器電機(jī)。早在十九紀(jì)誕生電機(jī)的時(shí)候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)就是無(wú)刷形式，即交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，異步電動(dòng)機(jī)有許多無(wú)法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。上世紀(jì)中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無(wú)刷電機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。這種新型無(wú)刷電機(jī)稱(chēng)為電子換向式直流電機(jī)，它克服了第一代無(wú)刷電機(jī)的缺陷。

　　無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱(chēng)星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。

　　直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒(méi)有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類(lèi)似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

　　此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，而且體積越來(lái)越??；像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，adc）、脈沖寬度調(diào)制（pulse wide modulator，pwm）…等。直流無(wú)刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相，得到類(lèi)似直流電機(jī)特性又沒(méi)有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。

　　無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)特性

　　1、可替代直流電機(jī)調(diào)速、變頻器+變頻電機(jī)調(diào)速、異步電機(jī)+減速機(jī)調(diào)速；

　　2、具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)；

　　3、可以低速大功率運(yùn)行，可以省去減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載；

　　4、體積小、重量輕、出力大；

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

　　6、無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)；

　　7、軟啟軟停、制動(dòng)特性好，可省去原有的機(jī)械制動(dòng)或電磁制動(dòng)裝置；

　　8、效率高，電機(jī)本身沒(méi)有勵(lì)磁損耗和碳刷損耗，消除了多級(jí)減速耗，綜合節(jié)電率可達(dá)20%~60%。

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

　　10、耐顛簸震動(dòng)，噪音低，震動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，壽命長(zhǎng)；

　　11、不產(chǎn)生火花，特別適合爆炸性場(chǎng)所，有防爆型；

　　12、根據(jù)需要可選梯形波磁場(chǎng)電機(jī)和正弦波磁場(chǎng)電機(jī)。

　　無(wú)刷直流電機(jī)的選用

　　為實(shí)際應(yīng)用選擇合適的電機(jī)是至關(guān)重要的。根據(jù)電機(jī)的負(fù)載特性，需要確定合適的電機(jī)參數(shù)。其主要參數(shù)有以下幾點(diǎn)：

　?。?）應(yīng)用是的最大扭矩要求；

　?。?）平方根（RMS）扭矩需求；

　?。?）轉(zhuǎn)速要求。

　　1、最大扭矩

　　最大的扭矩可以通過(guò)將負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力相加得到。另外，還有一些額外的因素影響最大需求扭矩如：氣隙空氣的阻力等，這就需要至少20%的扭矩余量，綜上所述，有以下等式：

　　TP = （TL TJ TF） * 1.2

　　TJ為電機(jī)啟動(dòng)或加速過(guò)程需要克服的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，其主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，其表示為：

　　TJ = JL M * α

　　上式中α為加速度，JL M為定子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。 電機(jī)的機(jī)械軸決定電機(jī)的負(fù)載力矩和摩擦力。

　　2、平方根扭矩

　　可以近似的認(rèn)為平方根扭矩為實(shí)際應(yīng)用中需要的持續(xù)輸出扭矩。它由很多因素決定：最大扭矩、負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、加速、減速以及運(yùn)行時(shí)間。下面的等式表示了平方根扭矩的計(jì)算，其中TA為加速時(shí)間、TD為減速時(shí)間和TR為運(yùn)行時(shí)間。

　　TRMS = √ ［{TP2 TA （TL TF）2TR （TJ – TL – TF）2 TD}/（TA TR TD）］

　　3、轉(zhuǎn)速

　　這是有應(yīng)用需求的轉(zhuǎn)速。比如，吹風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速需求是，最高轉(zhuǎn)速和平均轉(zhuǎn)速相差不大，顯然在一些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位系統(tǒng)如傳送帶和機(jī)械臂系統(tǒng)中就需要大轉(zhuǎn)速范圍的電機(jī)，可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速梯形曲線（）確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速需求。通常，由于其他因素，在計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速需求的時(shí)候需要留有10%余量。

　　無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用

　　BLDC的應(yīng)用十分廣泛，如汽車(chē)、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等等。總的來(lái)說(shuō)，BLDC可以分為以下三種主要用途：

　　（1）持續(xù)負(fù)載應(yīng)用

　　（2）可變負(fù)載應(yīng)用

　　（3）定位應(yīng)用

　　1、持續(xù)負(fù)載應(yīng)用

　　這種應(yīng)用主要用于那些需要一定轉(zhuǎn)速但是對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機(jī)、吹風(fēng)氣等一類(lèi)的應(yīng)用。通常這類(lèi)應(yīng)用成本比較低且多是開(kāi)環(huán)控制。

　　2、可變負(fù)載應(yīng)用

　　這類(lèi)主要指的是電機(jī)轉(zhuǎn)速需要在某個(gè)范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，在這類(lèi)應(yīng)用中主要對(duì)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有更高的要求。家用器具中的洗衣機(jī)、甩干機(jī)和壓縮機(jī)就是很好的例子。在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域，油泵控制、電控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和電子工具等也是很好的例子。在航空領(lǐng)域也有很多的應(yīng)用，比如離心機(jī)、泵、機(jī)械臂、陀螺儀等等。這個(gè)領(lǐng)域中多使用電機(jī)反饋器件組成半開(kāi)環(huán)和閉環(huán)進(jìn)行控制。這就需要復(fù)雜的控制算法，增加了控制器的復(fù)雜程度也增加了系統(tǒng)成本。

　　3、定位應(yīng)用

　　大多數(shù)的工業(yè)控制和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用屬于這個(gè)類(lèi)別。在這些應(yīng)用中往往會(huì)完成能量的輸送，如齒輪或者傳送帶，因此系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，同時(shí)這些應(yīng)用也可能需要隨時(shí)的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，電機(jī)可能工作在勻速，加速，減少階段，而且有可能在這些階段中負(fù)載也在變化，所以這對(duì)控制器提出了更高的要求，通常這種控制使用閉環(huán)控制，甚至?xí)信ぞ丨h(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三個(gè)控制環(huán)。測(cè)速時(shí)可能會(huì)用上光電編碼器和一些同步設(shè)備。有時(shí)候這些傳感器會(huì)被用于測(cè)量相對(duì)位置，也有時(shí)候用于測(cè)量絕對(duì)位置。過(guò)程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制很多都屬于這類(lèi)應(yīng)用。
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