永磁无刷直流电机的发展应用和优点

永磁无刷直流电机的发展应用和优点

1 第一台的直流电动机出现于十九世纪四十年代，1873年直流电机开始投入的行业应用，从此以后，直流电机就以其良好的转矩特性在控制运动领域内得到了广泛的应用。但是，由于传统的直流电动机采用电刷，采用机械的方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，所以就会产生噪声、电火花、电磁干扰、摩擦损耗，使得电机的寿命缩短，而且还需要经常维修。

由于有刷直流电动机存在以上的弊端，所以在20世纪初，人们就提出了以电子换向代替机械换向的设想。但是当时由于大功率电子器件仅处于初级阶段，发展还不成熟，找不到理想的电子换向器件。随着科学技术的发展，半导体材料和新型永磁材料的不断出现和更新，1962年诞生了借助于霍尔元件实现换向的永磁无刷直流电机。与此同时，采用接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器、高频耦合式传感器、磁电耦合式传感器和光电式位置传感器的永磁无刷直流电动机也相继问世。

一般的永磁无刷直流电机的拓扑结构图如下。主要有电机本体，位置传感器和功率逆变电路三部分组成。电机本体有定子和转子两部分组成。在传统的永磁直流电机中，永磁体位于定子上，起励磁作用，转子上安装有电枢绕组，通电后产生反应磁场。利用电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电机运行的过程中始终保持垂直，从而驱动电机运转并产生最大转矩。而永磁无刷直流电机刚好相

(图1)永磁无刷直流电机的拓扑结构

反，为了实现无电刷换向，就需要将电枢绕组放在定子上，而永磁体放在转子上。但仅此还不够，因为用一般的直流电源给电机定子绕组馈电，只能产生固定磁场，他不能与运动中的转子磁钢所产生的永磁磁场相作用，以产生单一方向的转矩来驱动电机转子转动。因此，永磁无刷直流电机出除了电机本体以外，还要有位置传感器、逆变器触发逻辑电路和功率逆变器共同构成电机驱动系统，根据位置传感器检测的电机转子位置，供逻辑电路按一定的逻辑触发逆变器，给电机定子馈电，其目的是使永磁无刷直流电机在运行过程中电机定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢所产生的永磁磁场，在空间上始终保持π/2左右的电角度。

根据逆变器所采用的的器件不同，一般将他们分为两类：晶闸管无换向器电机，采用的是晶闸管作为逆变器功率器件；另一类则采用MOSFET，GTR，IGBT等自关断器件作为逆变器功率器件。

由于永磁无刷直流电机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，同时用具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及具有良好的调速特性等特点，因此，他从一面世就收到了人们的广泛关注，各大电机公司和控制厂商都进行永磁无刷直流电机的设计和控制系统的开发，并推出了自己的产品，这种研究在日渐深入，新产品层出不穷。

永磁无刷直流电机的特点：

永磁无刷直流电机与永磁直流电机相比，既有相似又有很大的不同。永磁直流无刷电机既具有永磁有刷直流电机优良的机械特性和控制特性，有克服了有刷电机的缺点，具有更强的竞争力。同时它与无刷的变频调速感应电动机相比，永磁无刷直流电机也有比较多的优越性。交流电动机俗人结构简单、运行可靠、价格低廉、结实耐用，一直是工业与家用动力的主要来源，但他的力能指标、效率、功率因数却不是很好。近年来，从节能的角度虽然进行了许多努力，但改善始终有限。随着新型永磁材料的出现，性能的提高和价格的下降，使得永磁无刷直流电机的应用不断地扩大。实践表明，永磁无刷直流电机和异步电机相比有以下特点：

1、转动惯量小，响应更快，具有更高的转矩/惯量比；

2、无需电励磁，具有更高的效率和功率因数；

3、永磁转子不发热，发热部分在定子上，散热条件较好，可以相对取高一些的电磁负荷，体积减小，功率密度增大；

4、气隙主磁通是由转子永磁体产生的，定子绕组电流与产生的转矩可设计成线性关系，控制性能比异步电动机更好。

与开关磁阻电机相比，由于它一般采用实心转子结构，转子上既没有绕组也没有永磁体，因此结构更加简单可靠，设和高速和超高速运行，而且由于开关磁阻电动机功率回路单元不存在桥臂内的换流，从而不存在桥臂直通现象，简化了电路结构，控制器成本较低。但是开关磁阻电动机的效率密度和效率要低一些，同时开关磁阻电动机具有严重的非线性特点，且由于开关磁阻电动机本身工作原理的原因，这种电机具有内在的较大噪声和很大的转矩脉动。

项目种类永磁有刷直

流电动机

永磁无刷直

流电动机

开关磁阻电

动机

变频调速异

步电动机

结构可靠性差好好好效率较高高较高较低调速性能好好好较好功率/体积比较低高较高低

电机本体成

本

高较高低较低控制器成本低较高较低高

从上表中可以看出，永磁无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率、优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料的提高完善和价格的下降，这种优越性将更加明显。

永磁无刷直流电动机的应用

由于永磁无刷直流电机具有单位体积转矩高、转矩惯量比小、启动转矩高，调速特性好等优点，因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备及家用电器等方面获得了广泛的应用，并且这个领域在不断地扩大，其中包括市场广阔的家用及小功率驱动中的应用及电动车的应用。