1、无刷直流电动机一、无刷直流电机国内外发展及研究现状 无刷直流电机是从有刷直流电机上发展起来的，确切的说是由发电机发展而来的。1831 年法拉第发现电磁感应定律，从这开始才有了电机的发展。1840 年左右，世界上第一台直流电机问世。传统的有刷直流电机制造成本高，维修困难，以上这些都是有刷直流电机的隐患。正因如此，早在 18 世纪 20 年代，Boiiger 就提出了一个新的思想，并找到整流管代替机械电刷，无刷直流电机的基本雏形问世.1930 年左右，一些科学家开始从电子换相中寻求突破，为无刷直流电机的出现奠定了基础。但由于大功率电子器件的限制，没能找到理想的电子换相器件，使得这种可靠性差、效率低
2、下的电机只能停留在实验室阶段.1950 年左右，美国籍科学家德文哈里斯与他的同事共同研制出用电子换向电路代替有刷直流电机中的换向器和电刷来完成换向工作。无刷直流电机从此诞生，也是现代无刷直流电机的雏形。20 世纪 80 年代左右，先后成功研制出方波和正弦波作为驱动信号的无刷直流电机。在此之后，无刷直流电机逐渐代替其他电机开始成为电机中绝对主导.近年来，随着电力电子技术和集成电路以及控制技术的发展，无刷直流电机的应用已经涉及到，汽车、航空航天、家用电器等很多领域。国内无刷直流电机的发展始于 70 年代初期，由于主要应用在军工方面和航空方面，要求的数量不是很多而是更注重精度，主要集中在一些和军工单
3、位有合作项目的科研机构和高等院校中，所以发展并不广泛。经过几十年的发展虽然国内也有一系列的产品，但由于我国电子元件档次不高，科研水平和制造水平也与国外相比有差距.不过，近年来国内中小型电机和微特电机行业的发展也是有目共睹。中小电机的发展主要得益于电动自行车行业的发展。国内的电动自行车行业比国外发展的更好，主要是因为国内的消费人群比国外更多并且价格也能为大多数人所接受。当然还有一个原因是国家政策的支持。二 有刷直流电机与无刷直流电机的比较 有刷直流电机主要由定子和转子组成。定子上安装有固定的永磁体，转子上安装有换向器和电枢绕组。永磁体可以形成固定的磁场与转子上的电枢绕组和换向器配合工作，便可以使
4、电机驱动起来。图 2为有刷直流电机的结构图。在两个电刷 AB 之间两端接入直流电（这也就是称之直流电机的根本原因），直流电流流过电刷、换向器流入线圈绕组，产生电流，通过线圈的电流产生的磁效应与固定磁场的作用下，带动电枢绕组转动同时引起换向器的转动从而继续改变转子所产生的磁场方向，与主磁场的相互作用下，电机的转子就会周而复始的转动。图2 有刷直流电机的结构图 由于电刷和换向器的存在，所以有刷直流电机的结构在应用过程中就会存在一些问题：(1)定子和转子之间的密封性不够好，空气中粉尘颗粒等很容易进入气隙，在电机工作时存在隐患。(2)换相时，电刷和换向器之间极易产生电火花并伴随有电磁干扰，而且有比较大
5、的噪声，所以在很多场所使用时会受到限制。(3)电机长时间工作，电刷和换向器磨损会比较严重，对电刷或者换向器进行维修或者更换时消耗大量的人力物力。无刷直流电机和有刷直流电机在结构上的区别是非常明显的，它的线圈绕组是固定的而磁场是变化的，这一结构与有刷直流电机恰好相反。变化的磁场是由转子上的永磁体提供的，而线圈绕组作为定子固定不动。这种结构使得无刷直流电机无需换向器和电刷，从而解决了所有因为换向器和电刷存在带来的各种问题，使得无刷直流电机的发展速度更快，普及范围更广。无刷直流电机和有刷直流电机的区别不仅仅在于定子和转子的结构不同。关键在于无刷直流电机没有刷直流电机中完成换向的电刷和换向器，所以要找
6、到一种器件代替电刷和换向器完成换向操作。代替换向器和电刷完成换向功能的器件的就是位置传感器。图2-2 无刷直流结构图 图 2-2 为无刷直流电机的结构图，它主要由定子（电枢绕组）、转子（永磁体）、和位置传感器构成。与传统的有刷直流电机相比，无刷直流电机还具有以下五种优点：(1)无刷直流电机响应比较快、启动转矩比较大；(2)无刷直流电机的过载能力比较强，体现在爬坡能力上（爬坡的角度和速度均比较大）；(3)无刷电机属静态电机，空载电流小；(4)无刷直流电机中的电子换向装置代替了电刷和换向器，不易磨损、故障率低，寿命比有刷电机有明显的提高；(5)借助于各种先进的控制算法与大功率开关器件的发展，无刷直
7、流电机在高频及智能化领域的发展更具有前景；三 永磁无刷直流电机本体结构 由于国家政策的支持及廉价快捷的特性，电动车行业取得了蓬勃发展，目前我国电动车的驱动电机大多为永磁无刷直流电机。其结构如图三所示;图三 无刷直流电机本体结构图 无刷直流电机本体部分由定子和转子两部分组成。首先,它们必须满足电磁方面的要求,为保证在工作气隙中产生足够的磁通,电枢绕组允许通过一定的电流,以产生一定的电磁转矩。1）定子 定子是电机本体的静止部分。由导磁的定子铁心、导电的电枢绕组及固定铁心和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成。如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。2)定子铁心 定子铁心一般是由冲成带有齿
8、槽的环形硅钢片叠成的,硅钢片可以减少主定子的铁耗,电枢绕组嵌放在齿槽中,槽数视绕组的相数和极对数而定。为了减少铁心的涡流损耗,冲片表面涂绝缘漆或磷化处理。为了减少噪声和寄生转矩,定子铁心采用斜槽,一般斜一个槽矩。3)定子绕组 定子绕组是电机本体的一个最重要的部件,它在电机能量转换过程中起着及其重要的作用。当电机接上电源后,电流流入绕组,其产生的磁动势与转子产生的励磁磁场相互作用形成电磁转矩。绕组除了要能通过一定的电流外还需结构简单、运行可靠。4)转子 转子是电机本体中转动的部分,由导磁体、永磁体和支撑零部件组成。无刷直流电机一般采用硅钢乃口坡莫合金或电工纯铁作导磁材料.常采用的永磁材料有钦铁硼
9、铁氧体、高磁能积的稀土钻永磁材料等。机械支撑零部件起着固定永磁体和导磁体的作用,主要包括转轴、轴套和压圈等。四 无刷直流电机工作的结构组成 图4 无刷直流电机工作的组成框图 如图4所示为无刷直流电机工作的框图，可以看出主要结构由直流电源、开关电路、位置传感器和电动机组成。1）直流电源 直流电源为开关电路提供工作电压.2）开关电路 一般情况下开关电路与位置传感器配合使用。它所起的作用是根据位置传感器的输出信号输出功率开关器件的驱动信号,使电枢绕组按规定的导通顺序通电,从而产生旋转的磁动势。从而驱动电机转动。开关电路需运行可靠,体积小,质量轻,能够实现电机的正反转,并能满足不同环境条件下的长时间运
10、行等等。3）位置传感器 位置传感器则是无刷直流电机中最重要的一个部件，它根据电机转子的位置检测出位置信号，然后送入到开关电路中，开关电路根据不同时刻的位置信号导通不同的 MOEFET 同时导通三相绕组中的两相，是电机完成换相即可一直转动下去。位置传感器的种类繁多,有光电式、电磁式和磁敏式等。磁敏式以其体积小、结构简单、安装灵活方便、易于机电一体化的优点而被越来越广泛地采用。总之位置传感器和开关电路代替了有刷直流电机中的电刷和换向器，这也是无刷直流电机和有刷直流电机最根本的区别所在。五 总结 本文首先阐述了无刷直流电机国内外发展及现状，了解其发展历程。其次对有刷直流电机与无刷直流电机的比较，凸显了无刷直流电机逐渐代替有刷直流电机的趋势。最后对永磁无刷直流电机本体结构和无刷直流电机工作的结构组成进行详细介绍，从结构的角度上了解了无刷直流电机的各个部分的作用及特性。
