直流无刷电动机的应用

摘要
直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电子技术、数字技术为后盾。

直流无刷电动机，由于利用电子换相器取代了传统的机械电刷和机械换相器，因此结构简单、无机械摩损、运行可靠。

同时还具有调速精度高、高效率、高启动转矩等优点，因此被广泛应用。

伴随着永磁材料的高速发展，它的矫顽力高、剩磁大、磁能积高等优点，可以极大地减小无刷直流电机的本体体积和重量，因此永磁材料与无刷直流电机的有机结合便诞生了永磁无刷直流电机。

永磁无刷直流电机广泛应用于计算机外围设备(如硬盘、软盘和光盘存储器)、家电产品、医疗器械和电动车上，目前无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢，并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。

关键词：直流无刷电动机永磁应用优点
一直流无刷电机的基本结构及原理直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它是以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电子技术、数字技术为后盾。

无刷直流电动机主要包括永磁电动机本体、控制电路和位置检测三部分组成，其转子由永磁体组成，定子上存在着多相绕组。

直流无刷电动机的最大特点，就是没有换相器和电刷组成的机械接触机械。

加之它通常采用永磁体为转子。

没有激磁损耗,发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样，热阻较小，容易散热。

因此无刷直流电动机没有换相火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便。

此外，它的转速不受换相的限制，若采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万的转速中运行。

无刷直流电动机并且有着良好的伺服控制性能的运行特性，因而已经被广泛地应用。

二直流无刷电动机的应用
2.1在汽车中的应用
汽车上用直流无刷电动机的场合目前主要有车轮驱动、空调器压缩机、空调器鼓风机、净化器、抽气机等。

2.1.1汽车净化器用直流无刷电动机
汽车净化器多采用直流无刷电动机带动离心式风叶，以排出污浊空气。

电动机本体是根据电机电路方案来确定，常用二相桥式换相驱动电路。

内定子绕组可以较方便地绕在铁心齿上。

电机做成外转子式结构，定子和定子绕组放在转子内部。

换相驱动电路采用专用集成电路(ASIC)，电路简单，并有控制保护功能。

2.1.2汽车空调用直流无刷电动机
开发低电压大电流型汽车空调用直流无刷电动机可以解决原有刷直流电动机噪声大、寿命短及维护困难的缺点，提高电机运行性能。

其额定电压为12V，由于结构受到限制，给直流无刷电动机的设计增加了困难。

定子冲片为12槽结构，由于是低电压大电流型，为了保证电流密度不敛过高，采用双线并绕，以减小导线直径；转子为表面永磁体粘贴式4极结构，永磁体选用稀土永磁材料钕铁硼，由于钕铁硼的剩磁和矫顽力都很高，充磁方向短．因此永磁体采用径向瓦片式。

选用霍尔元件作为位置传感器。

安装在电机端盖内表面，位置传感器磁场为轴向磁场。

2.1.3汽车驱动用直流无刷电动机
目前车辆驱动用电动机类型大致可分为四类：直流电动机、交流电动机、无刷直流电动机、磁阻电动机等，经过实践认为无刷直流电动机具有明显的优势。

电动汽车的四个轮子分别由四个独立的轮式电动机直接驱动．采用逆变器进行电子换向，取消机械换向器和电刷，这种结构便于高速运行且在更换胎时不影响电动机本体。

采用取消齿轮、直接驱动的外转
子式电动机，是当今国际上车辆驱动用电动机中较为先进的方案。

但是由于外转子式电动机的设计与车辆的车轮结构设计有直接紧密关系．因此，在目前国内外研制样车经费少，时间紧的情况下．许多厂家基本选用内转子式无刷直流电动机。

此外，盘式永磁无刷直流电动机低速下力矩大，在电动车辆中能够赢接驱动前轮或后轮，从而省去了机械变速装置。

具有轴向结构紧凑、安装方便、噪音低、运行可靠和无级调速等特点。

其气隙磁场为轴向，定子绕组为辐射形排列的导体组成，转子由扇形的永磁体呈N，S交替形式安装在盘式磁轭中。

2 .2在电动自动车中的应用
在电动自行车上应用的无刷直流电动机通常制成盘式电动机，安装在车轮的轮毂内，轮毂由辐条与车圈连接，直接带动车轮转动。

定子是由定子铁心，电枢绕组及其引出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴等部分组成。

定子铁心一般做成多对极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。

定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。

绕组相数多取三相，并采用Y型连接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，即为三相半控驱动方式。

另一类广泛用于电动自行车的是外转子永磁无刷直流电动机，目前圈内研制出的外转子永磁无刷直流电动机大多采用多极多槽、扁平结构。

无刷直流电动机应用于电动自行车，与有刷直流电动机相比具有以下优势：(1)寿命长、免维护、可靠性高。

在有刷直流电动机中，电刷和换向器磨损较快，一般工作1 000小时左右就需要更换电刷。

另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。

所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。

(2)效率高、节能。

一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85％，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76％，而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70％左右。

因此无刷直流电动机的优势很明显。

2 .3在电起动摩托车中的应用
目前电起动摩托车的起动电机和磁电机是两台各自独立的电机。

起动电机为永磁直流电动机，工作转速高，需经减速机构和超越离合器与发动机曲轴相连；磁电机E轮永磁转子与发动机曲轴直接相连，起到了发电和给发动机点火系统提供点火触发信号的作用。

使用两台电机，发动机结构复杂，超越离合器打滑时会严重影响摩托车的起动特性；起动电机通过电刷换向，电刷磨损严重，需要经常维护。

直流无刷起动磁电机是将直流无刷起动电机与磁电机合二为一，井将电子换向技术应用于起动电机，它省掉了减速机构和超越离台器，有效地简化了发动机结构，提高了运行可靠性，将成为今后的发展主流，直流无刷起动磁电机为内定子及飞轮永磁外
转子结构飞轮永磁外转子与发动机曲轴固定在一起，飞轮内腔均匀地粘贴有6块N、S极相间的能在较高温度条件下工作的高磁性能的钕铁硼磁瓦。

飞轮端面均匀粘贴有3块用作位置传感器的弧形钕铁硼永磁体，从端面看去极性一致均为N极。

飞轮外周设计有一凸台，飞轮每旋转1周小凸台与触发器上的铁制凸台相对扫过1次，引起触发器内部永磁磁路磁通变化在触发器内部线圈内感应出一个交变电势，此电势用作发动机点火系统的触发信号。

电机内定子铁心由0．35ram冷轧硅钢片叠压铆接在一起，再经电镀塑料绝缘处理后，绕制Y接的直流无届Ⅱ起动电机三相绕组及单相发电绕组，浸漆烘干后用螺杆固定在电机法兰底座上。

底座上还安放着焊接有3个开关型霍尔元件的用作位置传感器的弧形印刷电路板。

直流无刷起动磁电机的Y接三相绕组与三相半桥驱动电路连接。

位置传感器上的3个开关型霍尔元件发来的位置信号经过处理后控制三相半桥驱动电路导通与关断，实现直流无刷起动磁电机电子换向在家用电器中的应用、近年来的变频式空调机中使用了多台能无级调速的永磁无刷直流电动机，无论是压缩机拖动，还是在风机、加湿机中，都逐步采用无刷直流电动机拖动方式。

由于环境恶劣，采用无刷直流电动机（省去位置传感器，而直接从电动机3根驱动线获得转子位置信号的驱动与控制，利用微处理器来产生逆变器栅极触发信号）可以提高机械可靠性，又可降低成本。

此外，在新一代热水器、吸尘器、洗衣机、电风扇、搅拌器中使用无刷直流电机可以实现多功能自动操作，提高家电产品的自动化程度和效率。

总之，该领域的市场需求潜力很大。

在家电产品中无刷电机大有取代交流电动机的趋势。

2 .4在工业自动化设备领域的应用
如工业缝纫机用无刷直流电动机，其优点为可以实现正反转．快速启动与制动，定位精度高，过载能力大，振动低，同时实现工业缝纫机的自动返缝、自动割线和自动挑线三个自动控制功能。

此外，在高档数控加工设备、工业智能机器人、自动化生产流水线、自动纺织、包装、冶金等，采用无刷直流电机可以满足机械设备的高精度、高效率、高性能的要求。

一些要求精确控制速度和位置的轻工机械中大多也采用无刷电动机。

2. 5在精密电子设备和器械中的应用
如骨科医疗器械由于手术的需要，要求其动力系统能在较宽的范围连续变速，以适应铣缝、钻孔、锯等种场合的要求。

而现有骨科医疗器械用驱动电机是单相交直流串励电机及电压调节器，其缺点是噪声大；由于电刷和换相器的存在，致使手术前无法消毒，给手术的效果造成一定的影响；同时需要定时更换电刷及电机维护。

而应用无刷直流电机作为驱动系统后，具有低噪音、宽范围调速、体积小、重量轻等优点。

另外在计算机硬，软盘驱动、录象机鼓驱动、激光打印机、复印机、卫星上太阳能帆板驱动、仪用通风机、血液分析仪、医护监控设备等领域的应用正在逐步取代有刷
电机。

该类无刷直流电动机尺寸小、加工精度高，属于技术密集型，其需求量巨大。

三结论
与其它类型电动机，直流无刷电动机有着更优越的性能。

被广泛应用于日常生活和军事国防设备等，具有良好的应用前景。

但还存在许多问题需要解决，需要进一步研究。

目前永磁无刷直流电机的发展已经到了一个相对成熟的阶段，但伴随着于材料、电子和控制技术的不断冲击，其必然朝着小型化、数字化、长寿命和高可靠性的方向发展，也必将在工业生产中发挥更大的作用。

四参考文献
[1]郭庆鼎赵希梅 . 直流无刷电动机原理与技术应用.北京：
中国电力出版社，2008.。