专家论坛无刷直流电机在工业中的应用和发展贡俊，陆国林（信息产业部电子第21研究所，上海200233）及设计工艺的新发展，分析了无刷直流电机的主要应用领域，并对无刷直流电机在服装机械、纺织机械和交通运输中的典型应用加以重点说明。最后论述了电力电子技术、新材料、新结构对无刷直流电机技术进步的促进和影响。

    1概述无刷直流电动机保持着有刷直流电动机的优良控制特性，在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放永久磁钢。无刷直流电动机的电枢绕组象交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由驱动器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换向代替有刷电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。

    因此目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所替代。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统了。这些国家相关的公司（如美国、英国、日本、德国等）已经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机了。

    在伺服控制系统中，为了实现系统的快速起、停、加速、减速，要求电机有这样两个特点：①转子转动惯量小②起动和最大转矩大。转子转动惯量的大小和转子外径有直接关系。对于异步电动机的转子，是由带齿、槽的铁心构成。槽中用来安放感应绕组感生电流，产生转矩，这样转子外径的进一步减小有困难。对于有刷的直流电动机，电枢绕组放在转子上，因此也无法进一步减小外径。同时由于换向器的存在，更进一步限制了转子外径的减小。

    无刷直流电动机的转子主要是永久磁铁构成的磁极体组成，电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小。可以做到大的起动转矩和大的最大转矩，更快地加速电机转子和负载。在直流电机里，转矩的大小和电流成正比关系。影响起动转矩大小的因素主要有：①电流过大时，会造成永久磁铁的不可恢复性的去磁②驱动控制器中功率器件的能力。在采用稀土永磁材料之后，由于矫顽力非常大，可以承受相当大的去磁磁势，因此去磁的可能性不大。但对功率器件的能力却是必须认真考虑的，否则会由于过电流和过热而损坏。一般情况下，最大转矩取在额定转矩的3～5倍之间，在特殊情况下，取在5～10倍之间。

    和有刷直流电机相比，无刷直流电动机由于革除了电的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。由于转子上没有绕组，因此就没有电的损耗。又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的（在方无刷直流电机在工业中的应用和发展波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损）。总的来说，除了轴承旋转产生摩擦损耗外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。

    对于电动机的设计和应用，发热问题必须作为一个基本原则考虑。发热问题由两方面因素确定：①电机的损耗②电机的散热能力。和其它类型电机相比，无刷直流电动机的损耗小。这是因为：①永久磁铁励磁，没有励磁绕组，因此没有励磁绕组的电损耗②励磁磁场是恒定的，因此励磁磁场不会在转子上产生铁损③没有电刷和换向器，因此也不会象有刷直流电动机那样，产生由于电刷和换向器之间的摩擦损耗和电损耗。从散热的角度看，由于电枢在定子上，直接和机壳相连，因此散热条件好，热传导系数大。由于这样的关系，在相同的条件下，在相同的出力要求下，无刷直流电动机可以设计的体积更小，重量更轻。研究开发高效、节能电动机一直是重要课题，尤其是无刷直流电动机的应用越来越普及，在数瓦至数千瓦这个功率段利用得更多。日本近些年来推出的分割铁心结构的无刷直流电动机达到了卓越的效果。如松下公司推出M INAS HYDER的两个系列的电机：超小型高效、节能系列和通用系列，容量就是数瓦至数千瓦。

    和标准的三相电机相比，在同样的输出功率情况下，超小型系列的体积只有13大小，重量只有25 通用系列的体积只有标准三相电机的60 ，重量只有50.高效、节能系列电动机的起动转矩大、转动惯量小，因而动态特性好。

    在电机结构的改进中，目前还有一个重要措施，就是取消机壳，定子铁心直接和外面接触。这样定子磁路扩大，磁负荷下降，定子槽面积也可适当加大，好处是显而易见的。

    在一般的工业驱动应用领域，不论电机设计还是系统设计，提高效率节约能量都应该被放在重要的位置。据报道，美国55以上的电力是消耗在电动机运行上，因此提高电动机的效率，很有意义。以上的分析可以看出在所有类型电机中，无刷直流电动机的损耗最小、效率最高。有资料做过对比分析，对于7. 5kW的异步电机系统效率可达86. 4 ，但是同样容量的无刷直流电动机效率可达92. 4.

    随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断下降。考虑综合指标（系统性能、重量、能量消耗等）之后，无刷直流电机的应用正处于上升趋势。下表是与其它电机的综合特性比较。

    性能系统机械特性过载能力可控性平稳性噪声电磁干扰维修性寿命体积效率成本交流异步电机软小难较差较大小易长大低有刷直流电机硬大易较好大严重难短较小高较高无刷直流电机硬大易好小易长小高较高以上分析可以看出，在工业应用中，无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。近几年，随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高，无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来越广泛。下面就工业中的一些典型应用进行介绍分析。

    2工业中的应用分类

    2. 1定速驱动机械一般工业用场合不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电机。

    （ 1）单方向连续运行负载大多采用交流异步感应电机，电容运转型单相或三相交流异步电动机。对不需要调速或是容许转速随负载略有变化的高速或中速机械，如水泵、风机、压缩机等宜选择相应转速的2极或4极异步电动机

    （ 2）对要求体积小、重量轻而工作转速高（例如高于3 000r/min）的负载诸如搅拌器、吸尘器和地毯清扫洗涤机等，则多采用单相串励电动机或直流电动机直接带动负载但对要求噪声较小的高速驱动，可考虑选用由逆变器供电的中频异步电动机或由直流供电的无刷直流电动机。

    （ 3）对功率较小、且转速允差较大时的小型工作机械，则可选用较廉价的罩极式异步电动机。

    （ 4）对转速较低的工作机械，尤其是经常频繁地正反转调节，为了缩短过渡过程时间，提高生产效率、降低噪声，可以采用低速直接驱动，选用低速电磁减速同步电动机或齿轮减速异步电动机。如自动门和大功率的搅拌机等。根据门负载的大小，选用功率从几十瓦到几百瓦的电机。

    在以上的定速控制应用中，在功率不大于而且连续运行的场合，为了减少体积，节省材料，提高效率和降低能耗这些因素，越来越多的电机正被无刷直流电机逐步代替。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外还要增加驱动器，还较少有应用。

    2. 2调速驱动机械速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求不高的调速系统分为两种，一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统（此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等）。

    通常采用的电机主要有三种：直流电机、交流异步电机和无刷直流电机。这在包装机械、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的应用。

    在调速应用领域最初用得最多的是直流电动机，随着交流调速技术特别是控制技术和电力电子技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透到了原来直流调速系统的绝大多数应用领域，一方面是调速特性可以和直流电机系统相似，另一方面是交流电动机比直流电动机有着较大的优势，容量大、可靠性高、干扰小、寿命长。而在一些特种应用领域，也同样出现这种趋势。然而由于无刷直流电机由于体积小、重量轻和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步为无刷直流电机系统所替代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些直接由电池供电的直流电机应用领域，则更多的由无刷直流电机所替代。

    2. 3精密控制用

    2. 3. 1高速、高精度定位控制伺服电动机在工业自动化领域的运动控制中扮演了一个十分重要的角色，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，因而在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制形式：转矩控制/电流控制、速度控制和位置控制。高速、高精度定位控制多采用交、直流伺服系统，近年来由于交流伺服技术日趋成熟，已逐步替代直流伺服系统。方波电流驱动的交流伺服电机实际上就是无刷直流电机，国外一般成为BLDC.

    2. 3. 2稳速控制―锁相控制对要求具有严格同步转速或恒速的装置，如扫描仪、摄影机之类，则已大多采用带稳速装置的无刷直流电机。

    在所有的工业系统，凡是需要精确定位，高速动作的场合，目前大多采用无刷直流电动机伺服控制系统。这种高性能系统的采用，不仅提高了生产效率，而且大大改善了产品质量，提高了产品的价值。下面可举几个例子：原来糖果的包装，虽然图形和色彩很漂亮，但由于定位不准，在每粒糖的包装纸上的位置不一致，价格不高。采用了准确定位的糖果包装机实现了图形和字在每粒包装纸上位置一致。据介绍糖果的价格提高了30.旧的毛巾印花机，由于定位不佳，毛巾上的图样会产生错位，产品价格提不高，而且无法出口。先进的毛巾印花机，采用两套带有光学编码器的无刷直流伺服电动机系统作为伺服驱动控制，生产效率高，定位准确，印花清晰，产品价格得以提高。这样的例子非常多，在冶金系统、化工系统、轻工系统、家电系统、电子工业系统、计算机、视听设备、装配线、传送机械设备、自动仓库等等。

    无刷直流电动机作为高性能的伺服电动机，早期应用的最多的场合是数控机床。早期的数控机床是采用步进电机作为执行电动机的。步进电机是天然的数字化执行电动机，输入量是数字脉冲，输出的机械量是随输入数字量而变的步进角度。但是由于步进电机固有的特性限制，不可能进一步提高速度和精度。目前生产的数控机床，由于采用了先进的数控无刷直流电动机伺服系统，使得设备的速度和精度都大大提高，性能更加完善，生产效率迅速提高。例如，目前高速冲床的最高冲制速度可达每分钟800次。一般运行速度是每分种400次，精度可达1～2角分之内。在电机制造中，为了提高生产效率，以往都采用复式冲模进行冲片的冲制，冲片可以一次冲制成功。有了高速冲床之后，单式冲模就可达到相当高的生产效率，实现高速度、高精度。冲模的造价大大降低，冲模制造方便，加工周期缩短。

    在各种机床加工设备中，往往不是一套伺服系统。

    例如在多功能数控冲床中，除了主轴电机外，进给系统是由三套伺服系统完成的，其中包括：工件的轴转动，工件的Y轴运动和冲头冲位的进给。所有的运动都是在数控单元的指挥下，高速准确地完成。数控机床的应用在我国还不算普及，数控机床的研究、开发和生产也是相当薄弱。数控机床中数控系统、伺服系统多数还是依靠进口。因此在这方面的路还很长，而现代数控机床的应用在一定程度上代表着一个国家工业化水平。

    3典型应用以下就服装机械、纺织机械和交通运输中的典型应用加以说明：

    3. 1工业缝纫机一般为70年代中期至80年代初期的水平。如电子定位针电动机三自动高速平缝机（可自动走无刷直流电机在工业中的应用和发展线、自动停针、自动定针数）。现正向可编程的工业缝纫机单机自动化方向发展。当前，国内高速平缝机供不应求，其原因之一是，国内企业过去缝纫设备以进口为主，现在则以国产为主，其质量已接近国外同类产品水平，价格仅为国外机的1 /2.工缝机用电机已发展四代产品，即摩擦片式、涡流式交流异步电动机、混合步进电机和交流伺服电动机。

    摩擦片式电子定位针电动机起步快，但速度和针位控制精度差，且摩擦片的摩损会影响定位可靠性，需经常保养和维修。涡流式电子定位针电动机虽定位精度较高，但起步慢，噪声和振动大，不受制衣行业的欢迎。

    混合式步进电机定位系统虽具有控制方便的优点，但起动频率、运行速度达不到高速工缝机的要求，定位精度仍不理想。

    交流伺服电动机系统是国外80年代后期开发应用的产品。1986年以来，以日本工缝机行业，如重机公司、兄弟公司等，已把交流伺服电机运用到各类微电脑控制的高性能、高速平缝机、多功能电脑绣花机等缝纫设备中，并以每年12的递增速度取代原有的摩擦片或涡流式电子定位针电动机。这类交流伺服电机采用钕铁硼永磁转子，结构细长，在非轴伸端装有编码器，因而转动惯量小、体积小、重量轻、动态性能好，且有高精度定位、效率高、寿命长、免维修、能在恶劣环境条件下使用等特点。该类电机在高速自动工业缝纫机上使用操纵自如，无噪声污染，给人以舒适的工作环境。

    3. 2纺织机械

    3. 2. 1络筒机RH络筒机，与238机型相比，特点为： （ 1）卷绕速度槽筒由无刷直流电机直接驱动，每个卷绕头配备有自身的计算机，来自清纱器和传感器的信号都集中于这一新型计算机中。捻接电机也改为无刷直流电机。

    3. 2. 2.并纱机和捻线设备（ 1）并纱机卷绕线速度进一步提高， SSM的型速度已达到了1 600 m /min，国产并纱机的最高速度也提高到800 m /min SSM公司采用了DIGICON E Preciflex专利技术使卷绕质量提高国产并纱机不仅提高了速度，而且在传动方式、导纱形式、品种适应性方面都有较大的变化。传动方式也从交流异步电机方式向无刷直流电机方式过渡。

    (2)捻线设备短纤维倍捻机，丝倍捻机，工业用丝直捻机，捻并丝机，双轴的卷绕头驱动原来采用4kW左右的交流变频电机系统， 2万多转的速度，目前也正在采用无刷直流电机系统。

    (3)整经机分段整经机生产的经轴主要用于经编机，产品机电一体化水平很高，采用电子控制，操作方便。新产品中正考虑采用无刷直流电机。

    3. 3电动车辆电动车电机驱动系统可以说是电动车整车的核心部分，我们要求高效节能、利于环境保护、舒适耐用、结构紧凑、操作方便、运行可靠、维护简单等，在所带能源有限的情况下，无刷直流电机系统正好具有这一系列的优点，典型应用的主要参数如下：（ 1）电动自行车：整车速度20km /h，重量：以下，额定功率一般为120 200W，转速： 161（ 2）电动助动车：整车速度24km /h，重量：以下，额定功率一般为300 800W，转速：（ 3）电动摩托车：整车速度30～60km /h ，高的（ 4）高尔夫球车：功率： 3 6kW.

    异步电机方案，效率： 91　94 西欧多采用开关磁阻电机，效率： 90 而日本多采用无刷直流电动（ 7）电动大巴：采用异步电机方案，电压： 96 V DC，功率为150kW.电动大巴士辅助系统：汽车空调用7kW， 3 000r /min， 384V左右的无刷直流电机压缩机系统，动力泵和刹车系统用的2. 5kW， 3左右的无刷直流电机。

    4无刷直流电动机的发展趋势无刷直流电动机是一种机电一体化产品，除了传统的电机本体外，还必须带有传感器，以检测定、转子之间相对位置。而且离开了驱动控制电路，它不可能运行。同样的，电子技术和电子元件的发展又进一步推动无刷直流电动机的发展。

    4. 1电力电子技术及微处理技术对无刷直流电动机的影响4. 1. 1电机向高电压、低电流发展相对来说，电子元器件容易做到高电压、低电流，尤其是功率场效应晶体管。在大电流下管压降大，晶体管上损耗也大。另一方面在高电压、低电流情况下，功率晶体管上的管压降为总线电压的比例也小，这样可以进一步提高系统的效率。

    4. 1. 2正弦波电流驱动高速微处理器和DSP器件的出现，使得运行速度、处理能力提高很大，而且还有专用的控制芯片出现。随着这些器件的普及和应用的扩大，器件成本大幅度下降。因此性能明显优秀的正弦波电流驱动的电动机会比方波驱动的电动机更受欢迎。德国西门子公司早期开发的1F5系列是方波电流驱动的，现已停止生产，而以正弦波电流驱动的1F6系列代替。当然正弦波电流驱动的电动机需要带有一定精度的位置传感器，成本会更高一些，所以这种代替并不是在任何场合下都可使用的。

    由于高速微处理器、DSP的出现，也更加保证了无刷直流电动机的性能。在一些需要控制成本的应用中，增加位置传感器不太实用或无法接受。然而， DSP固有的计算能力可被用来在无刷电机上实现许多无传感控制。在无刷直流电机中，可以有一种仅需四个电阻从获得的位置、速率、干扰转矩信息中进行分配网络的无传感控制算法。此外，这个算法提供了瞬态位置和速率信息，而不象传统的算法中需要采取过零算法。算法要求大约500条指令（因此程序存储量为500字） ，在这个控制器上执行时间约为13μs.

    低成本DSP为压缩机、洗衣机、风扇、泵机和高压交流驱动中的无传感控制（直流无刷电机）提供了一个独一无二的和最优化方案，低成本的DSP电机控制器的应用已经说明无刷式非传感器控制DC电机的应用前景，一个新型高性能器件已经随着工业驱动设备的要求而推向了市场。

    技术原来在采用双极性功率晶体管时，电路的开关频率一般在（ 2 5） k Hz.这样的频率是在人耳声频范围之内，噪声令人讨厌。同时在绕组电感不够大时，绕组电流波形不够平滑、纹波很大。采用功率场效应晶体管和绝缘栅双极性晶体管之后，开关频率可达10k Hz以上。这样，不论是电磁噪声，还是电流波形都得到改善。

    4. 2新材料对电机技术的促进电机的小型轻量高效率和磁性材料的发展息息相关。磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段。发展最早的是铝镍钴，这种磁性材料磁能积低，合金中含钴，价格贵，但温度特性好，所以至今某些场合还是用到它。后来开发出铁氧体磁性材料，这种磁性材料磁能积并不高，但价格低，因此在很长一段时间内占了主导地位。再后来是钐钴合金的开发成功，这种磁性材料一下子突破传统磁能积数值，成倍提高，但是合金元素钐是稀土元素，价格昂贵，合金元素也是比黄金贵几倍的材料，且是战略控制物资，因此大大局限了这种高性能磁性材料的推广应用。1983年日本人发明了钕铁硼（ Nd FeB） ，引起了磁性材料的一场大革命。钕铁硼磁性材料磁能积高，不含价格昂贵的合金元素，钐和钕同为稀土元素，但钕价格便宜得多，因此使电机效率的提高和小型化出现了转机。

    由于有了高磁能积的钕铁硼，从而不需要体积硕大的软磁和激磁绕线包。电机的体积重量因此可以大大减小，加工也变得简单。电机的电枢绕组也由于磁性材料性能的提高而使绕组线圈大大减少。

    4. 3性能改进和新品种的开发无刷直流电动机中，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动，尤其是用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电动机，更要求运行平稳、没有噪声。在这些应用场合中的电动机，大多为小功率、小尺寸的电动机，尺寸紧凑，改动更为困难。为了改进性能，利用计算机进行模拟、分析、计算、比较，研究气隙磁场形状和磁极结构，选择合适的极对数和槽数以及合适的槽口尺寸。

    为了满足各种要求，也在不断的开发各种类型的无刷直流电动机。如：无槽电机，定子铁心无齿槽只有磁轭，定子绕组直接放在定子铁心轭上盘式电机，具有两个轴向的气隙，在小容量的情况下，这种电机容易做到低噪声、低振动、低转矩脉动，高效率、高功率密度。和有刷直流电动机相对应，新品种中还包括：无刷直流力矩电动机、无刷直流直线电动机、无刷直流有限转角电动机、低惯量无刷直流电动机等等。

    无刷直流电动机相对于其它类型电动机，还是一种新型电动机。它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。从最初用于军事工业开始，随着在工业中的广泛使用，无刷电机正在大踏步地向家电、信息产品等消费品领域迅速发展。

                                                                                                                                          来源：中国百科网