無(wú)刷電機(jī)使用的技術(shù)（下）

這是博客文章“無(wú)刷電機(jī)使用的技術(shù)”的續(xù)篇。在本節(jié)中，我們將解釋無(wú)刷電機(jī)的效率方面并將其與交流電機(jī)進(jìn)行比較。

5.5 高效節(jié)能

根據(jù)IEA(國(guó)際能源署)發(fā)布的《2016年世界能源展望》，全球超過(guò)一半的電力消耗與電機(jī)有關(guān)。降低能耗是一個(gè)全球性問(wèn)題，關(guān)于提高電機(jī)效率，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 60034-30-1 定義了針對(duì) 120 W 至 1,000 kW 感應(yīng)電機(jī)的效率等級(jí)。目前，已經(jīng)建立了最高 IE4 的等級(jí)，但將引入 IE5 效率等級(jí)，據(jù)稱可以將 IE4 電機(jī)的損耗降低 20%。請(qǐng)參考圖 5.18。

內(nèi)置永磁體的無(wú)刷電機(jī)不屬于IEC 60034-30-1，但比三相交流感應(yīng)電機(jī)效率更高，電機(jī)結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路效率超過(guò)IE5效率等級(jí)(預(yù)期值)。在此，我們將主要以東方電機(jī)的BMU系列產(chǎn)品為例，對(duì)無(wú)刷電機(jī)的降損技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

5.5.1 電機(jī)損耗

損失類別如圖 5.19 所示。電機(jī)損耗分為銅損、鐵損、雜散負(fù)載損耗和機(jī)械損耗。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)的大量損耗包括銅損和鐵損。此外，電機(jī)越小，銅損所占的比例就越大，因此根據(jù)電機(jī)的尺寸采取有效的降低損耗對(duì)策很重要。

下面就損耗的主要種類和減少損耗的技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

5.5.2 銅損

銅損是指電流流過(guò)銅線所造成的焦耳損耗，可用下式計(jì)算。

如式(5.4)所示，電流值和繞組電阻值越低，銅損越小。另外，由式(5.5)可知，導(dǎo)體截面積越大，繞線電阻值越低，銅損越低。因此，纏繞具有高占空比的粗銅線至關(guān)重要。銅線所占的槽截面積(定子與銅線繞組的截面面積)之比稱為空間系數(shù)，該值越大，未使用的空間越少銅線繞組。

A。現(xiàn)值減少

由于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)感應(yīng)電流流過(guò)轉(zhuǎn)子內(nèi)部的籠型導(dǎo)體時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，繞組電流包含用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流和用于產(chǎn)生感應(yīng)電流的電流。此外，由于繞組電流和感應(yīng)電流，銅損會(huì)出現(xiàn)在定子繞組和籠型導(dǎo)體中。

由于無(wú)刷電機(jī)在其轉(zhuǎn)子中使用永磁體，因此不需要感應(yīng)電流。由于只需要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流，因此與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同，它們可以減少繞組電流。由于轉(zhuǎn)子中沒(méi)有銅損，定子繞組中的銅損可以減少，因此銅損比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)少。

b. 降低繞組電阻值

近年來(lái)開(kāi)發(fā)的無(wú)刷電機(jī)，包括 BMU 系列，使用了磁能積是傳統(tǒng)釹粘結(jié)磁體的六倍的釹燒結(jié)磁體。由于來(lái)自轉(zhuǎn)子磁鐵的磁通密度增加，與具有相同輸出功率的傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，線圈的匝數(shù)可以減少。

但是，由于磁通密度增加，需要擴(kuò)大齒寬，如圖5.21所示。為此，采用了不使用電機(jī)外殼的無(wú)框結(jié)構(gòu)，加大了定子鐵芯的外徑，增大了槽面積。此外，還開(kāi)發(fā)了增加線對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)。這些措施使得使用更粗的導(dǎo)體成為可能，從而降低了繞組電阻和銅損。

此外，增加的磁通密度不僅可以減少線圈的匝數(shù)，還可以縮短定子鐵芯的長(zhǎng)度。

BMU 系列采用高性能磁體，通過(guò)改進(jìn)定子形狀和繞組技術(shù)提高空間系數(shù)，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，定子鐵心長(zhǎng)度減半，銅損減少 11%。

5.5.3 鐵損

鐵損分為渦流損耗和磁滯損耗。由于磁通密度隨時(shí)間變化并流經(jīng)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯，鐵芯內(nèi)會(huì)發(fā)生渦流損耗。磁滯損耗發(fā)生在交變磁化產(chǎn)生的磁化能量中。它們由以下公式表示。

如式(5.7)和(5.8)所示，與電機(jī)鐵損相關(guān)的要素可分為：

由磁鋼片材料決定的比例常數(shù)和電阻率

磁鋼片的厚度

勵(lì)磁頻率、最大磁通密度和鐵心質(zhì)量，由電機(jī)設(shè)計(jì)決定

為了降低電機(jī)中的鐵損，薄、鐵損低、飽和磁通密度高、頻率依賴性好的電磁鋼板是理想的，但這些特性中的每一個(gè)都需要權(quán)衡。此外，由于需要考慮加工性和成本，使用哪些特性取決于所需的電機(jī)特性。關(guān)于設(shè)計(jì)相關(guān)的要素，需要優(yōu)化所使用的磁鐵以及銅損和鐵損之間的平衡。

提示：磁滯損耗與渦流損耗

有關(guān)滯后損耗和渦流損耗的更多信息，請(qǐng)參閱設(shè)計(jì)世界的文章“滯后損耗和渦流損耗：有什么區(qū)別?” 關(guān)于運(yùn)動(dòng)控制提示。

BMU系列和BLE2系列新一代無(wú)刷電機(jī)采用高性能磁鐵，定子長(zhǎng)度為傳統(tǒng)電機(jī)的一半，并與高性能磁鋼片相結(jié)合，鐵損降低50%。利用這些技術(shù)，BMU 系列的總長(zhǎng)度比傳統(tǒng)產(chǎn)品短 12% ，輸出功率高 33%，效率高 7%。

5.5.4 雜散負(fù)載損耗

從電機(jī)總損耗中減去銅損、鐵損和機(jī)械損耗后剩下的損耗就是雜散負(fù)載損耗。按照慣例，這被視為原因不明的損失。但是，近年來(lái)，隨著分析技術(shù)的進(jìn)步，雜散負(fù)載損耗作為漏磁通等引起的局部損耗開(kāi)始出現(xiàn)。

5.5.5 機(jī)械損失

電機(jī)中的機(jī)械損失是指軸承、油封和其他機(jī)械接觸區(qū)域的摩擦損失。一個(gè)例子是由于安裝在大多數(shù)感應(yīng)電機(jī)中的冷卻風(fēng)扇類型而導(dǎo)致的風(fēng)阻損失。無(wú)刷電機(jī)損耗小，不需要內(nèi)部冷卻風(fēng)扇，可以抑制機(jī)械損耗。

5.6 小型輕量化電機(jī)

無(wú)刷電機(jī)比三相交流電機(jī)更小更輕，同時(shí)仍提供相同的額定輸出功率。電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率是電動(dòng)機(jī)在規(guī)格書(shū)規(guī)定的一定條件下，如環(huán)境溫度、電源電壓等條件下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所用部件(主要是繞組)的溫升滿足允許溫度范圍時(shí)的輸出功率。

由于采用了“5.5 高效節(jié)能”中闡述的高效節(jié)能技術(shù)，無(wú)刷電機(jī)的電機(jī)損耗很小。電機(jī)的溫升平衡了損耗和熱量的釋放，因此損耗越小，電機(jī)就可以越小。

圖 5.23 顯示了具有相同輸出功率的無(wú)刷電機(jī)和三相交流電機(jī)的形狀和損耗量的比較。

由于電機(jī)體積小、重量輕，因此機(jī)器也更小、更輕。特別是電池驅(qū)動(dòng)的車輛，因?yàn)橹苯雨P(guān)系到車輛的續(xù)航時(shí)間，所以強(qiáng)調(diào)小型化和輕量化。

感謝您看完本技術(shù)手冊(cè)系列。如果您有任何疑問(wèn)或想了解更多信息，請(qǐng)通過(guò)在線聊天、電話或電子郵件咨詢我們的團(tuán)隊(duì)。

審核編輯：湯梓紅