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(diào)速。與他勵式直流電動機相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、用銅量少等優(yōu)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(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)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(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動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(zhuǎn)信號，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，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)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(diào)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(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：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)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當于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)生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環(huán)，永磁直流電機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因為永磁直流電機的換向是自身產(chǎn)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(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。

　　由于定子磁場軸線可視作同轉(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，與他勵直流電動機的電流-轉(zhuǎn)矩特性一樣。

　　電動機的轉(zhuǎn)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(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機的電磁轉(zhuǎn)矩：

　　Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）

　　Kt、Ke是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，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(zhuǎn)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(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對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何電平即對應(yīng)相當?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實現(xiàn)了變速設(shè)定。

　　當Vc設(shè)定以后，無論是負載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會變大，電樞電流變大，使電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機的實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機實際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時，δ減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，永磁直流電機在允許的電網(wǎng)波動范圍內(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，并可以實現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)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(wǎng)吸取勵磁電流；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(diào)速下重載啟動的同步電動機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)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(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)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(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。

　　根據(jù)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(yīng)性好，用于環(huán)境溫度較高或?qū)﹄妱訖C的溫度穩(wěn)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(lǐng)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(xiàn)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(yōu)勢，高性能釹鐵硼永磁材料性價比大幅提升，使質(zhì)優(yōu)、價廉的釹鐵硼永磁直流電動機在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，同時也促進永磁無刷直流電動機的性能與結(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(huán)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

　　電動機輸出的最大功率是有限度的，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(fā)生電動機過載，過載時會出現(xiàn)電動機發(fā)熱、振動、轉(zhuǎn)速下降、聲音異常等現(xiàn)象，嚴重過載時，將會燒毀電動機。而功率過大，則會造成經(jīng)濟浪費。因此合理選擇電動機的功率是很重要的。

　?。?）規(guī)格選擇

　　往往由于實際生產(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)格時可考慮：在電源電壓可調(diào)的場合，可按實際需要選擇轉(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合，如果沒有適當規(guī)格的產(chǎn)品可供選用時，可先按轉(zhuǎn)矩選擇適當規(guī)格，而產(chǎn)品的電壓與轉(zhuǎn)速之間可作適當調(diào)整。

　　注意事項：

　?。?）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(yīng)無劃痕、碰傷和涂鍍層脫落；然后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，應(yīng)能靈活轉(zhuǎn)動，無明顯的卡殼現(xiàn)象。檢查電動機的接線是否牢固，并通電運行。電動機在旋轉(zhuǎn)的過程中應(yīng)不存在著摩擦，其中最突出的是軸承摩擦。軸承磨損后會發(fā)出不正常聲音，出現(xiàn)局部過熱溫升現(xiàn)象。

　?。?）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。

　　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(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入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機旋轉(zhuǎn)帶動負載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護工作量大，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(zhuǎn)動部分有環(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的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極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固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉(zhuǎn)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(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。電機相位靠機械式換相器調(diào)整。機械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉(zhuǎn)動的銅制換相面摩擦來調(diào)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(zhuǎn)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(jīng)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(xù)行里程。

　?、谟兴⒂≈评@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(chǎn)線上生產(chǎn)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。

　?、塾兴褐评@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?zhèn)鲃酉到y(tǒng)兩部分構(gòu)成。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機的構(gòu)造如圖2-2所示。電機的轉(zhuǎn)矩通過軸傳遞給第一級齒輪，經(jīng)齒輪減速帶動輪轂外殼轉(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)輪轂結(jié)構(gòu)，將有刷電機設(shè)計成電樞放在外邊作為轉(zhuǎn)子，磁鋼放在電機之內(nèi)作為定子，多塊磁鋼配多個繞組，設(shè)計轉(zhuǎn)速為180r/min左右的低速電機。圖2-3(a)所示為電機外轉(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(zhuǎn)子繞組中，只留一個很小的環(huán)形氣隙。這個環(huán)形氣隙的直徑越大，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大。

　　由于有刷電機在設(shè)計中的改進，無須齒輪減速，可實現(xiàn)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，因此中高檔電動自行車均未采用這種電機。

　　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(yè)中的打印機、掃描儀、硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)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(yè)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(tǒng)、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(yīng)用于導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達、戰(zhàn)車等場合。

　　在工農(nóng)業(yè)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(yī)用方面，永磁直流電機用處更不小，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。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(yīng)用真是舉不勝舉，可以說是無處不在。

　　隨著時代的發(fā)展，永磁直流電機的應(yīng)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(xiàn)永磁無刷電機后，永磁直流電機的生產(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大達數(shù)十億臺以上，生產(chǎn)永磁直流電機的廠家不計其數(shù)。