介紹

　　永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是由一塊或多塊永磁體建立磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)，其性能與恒定勵(lì)磁電流的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相似，可以由改變電樞電壓來方便地調(diào)速。與他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、用銅量少等優(yōu)點(diǎn)，是小功率直流電動(dòng)機(jī)的主要類型。

　　基本原理

　　永磁無刷直流電機(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。

　　1. 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，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)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等

　　主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。

　　永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào)：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)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(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60°電角度，如此循環(huán)，永磁直流電機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)橛来胖绷麟姍C(jī)的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強(qiáng)制換向的，所以也稱作自控式同步電動(dòng)機(jī)。

　　2. 永磁無刷直流電機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場(chǎng)軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間就會(huì)產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。

　　由于定子磁場(chǎng)軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性一樣。

　　電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流：

　　Tm=KtIav （N·m）

　　電動(dòng)機(jī)兩相繞組反電勢(shì)的差正比于電動(dòng)機(jī)的角速度：

　　ELL=Keω （V）

　　所以電動(dòng)機(jī)繞組中的平均電流為：

　　Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A）

　　其中，Vm=δ·VDC是加在電動(dòng)機(jī)線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調(diào)制波的占空比，Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：

　　Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）

　　Kt、Ke是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動(dòng)機(jī)的角速度（rad/s），所以，在一定的ω時(shí)，改變占空比δ，就可以線性地改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。

　　永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。

　　當(dāng)Vc設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時(shí)，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會(huì)變大，電樞電流變大，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時(shí)，δ減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止?？梢哉f，永磁直流電機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。

　　由于永磁無刷直流電機(jī)的勵(lì)磁來源于永磁體，所以不象異步機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動(dòng)機(jī)高10%左右，一般來說，永磁直流電機(jī)的力能指針（ηcosθ）比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)高12%-20%。

　　3. 由于永磁無刷直流電機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。

　　中小容量的永磁無刷直流電機(jī)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(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。

　　近三十年來針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，而永磁直流電機(jī)的電流或電樞的端電壓，就是直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的物理量。過去，由于稀土永磁體價(jià)格比較高等因素，限制了稀土永磁永磁直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價(jià)格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列永磁直流電機(jī)的售價(jià)已與異步電動(dòng)機(jī)和普通變頻器售價(jià)之和相差無幾。稀土永磁永磁直流電機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

　　根據(jù)所用的永磁材料不同，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)分為鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)。鋁鎳鈷永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)需要消耗大量的貴重金屬、價(jià)格較高，但對(duì)高溫的適應(yīng)性好，用于環(huán)境溫度較高或?qū)﹄妱?dòng)機(jī)的溫度穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。鐵氧體永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)以廉價(jià)見長，且性能良好，廣泛用于家用電器、汽車、玩具、電動(dòng)工具等領(lǐng)域。用稀土永磁材料作磁極制的稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，體積小且性能更好，但價(jià)格昂貴，主要用于航天、計(jì)算機(jī)、井下儀器等。但近些年出現(xiàn)了新一代稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)—釹鐵硼永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，由于我國擁有世界80%以上蘊(yùn)藏量的釹礦資源，因此在價(jià)格上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，高性能釹鐵硼永磁材料性價(jià)比大幅提升，使質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的釹鐵硼永磁直流電動(dòng)機(jī)在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也促進(jìn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的性能與結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展。

　　選用原則

　?。?）類型的選擇

　　宜優(yōu)先選用效率高、價(jià)格便宜、溫升低的鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)。只有當(dāng)對(duì)性能要求嚴(yán)格、體積小、環(huán)境溫度較高時(shí)才考慮選用鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)或稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)。

　　（2）合理選擇電動(dòng)機(jī)的功率

　　電動(dòng)機(jī)輸出的最大功率是有限度的，如果電動(dòng)機(jī)的功率選擇過小，負(fù)載超過了電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率就會(huì)發(fā)生電動(dòng)機(jī)過載，過載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速下降、聲音異常等現(xiàn)象，嚴(yán)重過載時(shí)，將會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。而功率過大，則會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此合理選擇電動(dòng)機(jī)的功率是很重要的。

　?。?）規(guī)格選擇

　　往往由于實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格不多，給選用產(chǎn)品增加困難。在選擇產(chǎn)品規(guī)格時(shí)可考慮：在電源電壓可調(diào)的場(chǎng)合，可按實(shí)際需要選擇轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與產(chǎn)品相應(yīng)的額定值接近的規(guī)格，通過改變電壓得到所需轉(zhuǎn)速；在電源電壓固定的場(chǎng)合，如果沒有適當(dāng)規(guī)格的產(chǎn)品可供選用時(shí)，可先按轉(zhuǎn)矩選擇適當(dāng)規(guī)格，而產(chǎn)品的電壓與轉(zhuǎn)速之間可作適當(dāng)調(diào)整。

　　注意事項(xiàng)：

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

　?。?）按以下步驟對(duì)電機(jī)好壞進(jìn)行初步的檢查：

　　首先檢查電機(jī)的外觀：應(yīng)無劃痕、碰傷和涂鍍層脫落；然后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，應(yīng)能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，無明顯的卡殼現(xiàn)象。檢查電動(dòng)機(jī)的接線是否牢固，并通電運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)的過程中應(yīng)不存在著摩擦，其中最突出的是軸承摩擦。軸承磨損后會(huì)發(fā)出不正常聲音，出現(xiàn)局部過熱溫升現(xiàn)象。

　?。?）注意電動(dòng)機(jī)因電流過大、溫度變化及拆裝時(shí)磁路開路而引起的永磁體退磁，尤其對(duì)于鋁鎳鈷永磁電動(dòng)機(jī)，拆裝時(shí)要對(duì)永磁磁路進(jìn)行磁短路保護(hù)，否則退磁后要另外充磁。

　　基本原理

　　有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)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(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護(hù)工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。[1]

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

　　圖2-1所示的兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)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(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

　　種類

　?、儆兴⒈P式繞組電機(jī)。有刷盤式繞組電機(jī)以稀土材料粘結(jié)在一缸體上，漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內(nèi)，構(gòu)成轉(zhuǎn)子。電機(jī)相位靠機(jī)械式換相器調(diào)整。機(jī)械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉(zhuǎn)動(dòng)的銅制換相面摩擦來調(diào)整電壓相位的。這種電機(jī)在使用中電刷一直在磨損，電機(jī)的壽命很難超過2000h。同時(shí)，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，必須采取兩級(jí)齒輪減速，這就帶來了兩個(gè)問題，一是噪聲較大，二是效率損失大，經(jīng)減速后的電機(jī)額定效率往往只能達(dá)到68%～72%。而電動(dòng)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(jī)效率不高，將使電耗增加，影響續(xù)行里程。

　　②有刷印制繞組電機(jī)。有刷印制繞組電機(jī)以印制銅箔板作為繞組，電機(jī)重量減輕了。由于這種電機(jī)全部是在自動(dòng)生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，工藝有可靠保證，從而使電機(jī)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(jī)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(jī)壽命無法再提高。

　?、塾兴褐评@組電機(jī)。這種電機(jī)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(jī)仍然被較多電動(dòng)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(jìn)的問題。

　　輪轂式有齒輪傳動(dòng)的有刷直流電機(jī)，由盤形電樞有刷電機(jī)和齒輪減速兼?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。輪毅式有齒輪傳動(dòng)的有刷直流電機(jī)的構(gòu)造如圖2-2所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過軸傳遞給第一級(jí)齒輪，經(jīng)齒輪減速帶動(dòng)輪轂外殼轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　有刷有齒輪轂電機(jī)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(jìn)模內(nèi)熱壓成型，在運(yùn)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(jī)的運(yùn)行聲音比無刷電機(jī)聲音要大。

　　為了適應(yīng)輪轂結(jié)構(gòu)，將有刷電機(jī)設(shè)計(jì)成電樞放在外邊作為轉(zhuǎn)子，磁鋼放在電機(jī)之內(nèi)作為定子，多塊磁鋼配多個(gè)繞組，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為180r/min左右的低速電機(jī)。圖2-3(a)所示為電機(jī)外轉(zhuǎn)子中尚未經(jīng)過壓力整形的電樞繞組，，在繞組以內(nèi)是呈平面環(huán)狀整齊排列的換向片。圖2-3(b)所示的是放在外轉(zhuǎn)子內(nèi)的間隔排列著10塊磁鋼的定子，在中間的轂板上開有兩個(gè)孔，電刷的刷握就設(shè)在孔的背側(cè)，電刷帶著導(dǎo)線被彈簧從刷握中彈出。

　　有刷電機(jī)的定子軸端套有一個(gè)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(jìn)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(duì)換向器壓緊，而磁鋼正好進(jìn)入外轉(zhuǎn)子繞組中，只留一個(gè)很小的環(huán)形氣隙。這個(gè)環(huán)形氣隙的直徑越大，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大。

　　由于有刷電機(jī)在設(shè)計(jì)中的改進(jìn)，無須齒輪減速，可實(shí)現(xiàn)低噪聲、低成本。很多低價(jià)位的電動(dòng)自行車廣泛采用了這種電機(jī)。但這種電機(jī)扭矩小，載重負(fù)荷小，爬坡能力不佳，使用時(shí)耗電較多，仍然采用機(jī)械式的電刷換相器，電機(jī)壽命問題尚未得到解決，因此中高檔電動(dòng)自行車均未采用這種電機(jī)。

　　用途

　　在舞臺(tái)燈光方面，永磁直流電機(jī)，特別是小型永磁直流齒輪電機(jī)的用量非常大。計(jì)算機(jī)行業(yè)中的打印機(jī)、掃描儀、硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、刻錄機(jī)、冷卻風(fēng)扇等都要用到大量的永磁直流電機(jī)。

　　汽車行業(yè)中的各種風(fēng)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(jī)。賓館中的自動(dòng)門、自動(dòng)門鎖、自動(dòng)窗簾、自動(dòng)給水系統(tǒng)、柔巾機(jī)等都用到永磁直流電機(jī)、在武器裝備中，永磁直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場(chǎng)合。

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

　　隨著時(shí)代的發(fā)展，永磁直流電機(jī)的應(yīng)用會(huì)更多，原先用交流電機(jī)的許多場(chǎng)合均被永磁直流電機(jī)所替代。特別是出現(xiàn)永磁無刷電機(jī)后，永磁直流電機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量在不斷地上升。我國每年生產(chǎn)的各種永磁直流電機(jī)大達(dá)數(shù)十億臺(tái)以上，生產(chǎn)永磁直流電機(jī)的廠家不計(jì)其數(shù)。