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                          無刷直流電機在工業中的應用和發展
                          發布者:admin 添加時間:2017/9/1 瀏覽次數:1895

                          1概述無刷直流電動機保持著有刷直流電動機的優良控制特性,在電磁結構上和有刷直流電動機一樣,但它的電樞繞組放在定子上,轉子上放永久磁鋼。無刷直流電動機的電樞繞組象交流電機的繞組一樣,采用多相形式,經由驅動器接到直流電源上,定子采用位置傳感器實現電子換向代替有刷電機的電刷和換向器,各相逐次通電產生電流,和轉子磁極主磁場相互作用,產生轉矩。

                          因此目前在工業先進的國家里,工業自動化領域中的有刷直流電動機已經逐步被無刷直流電動機所替代?,F在從國外進口的設備中,已經很少看到以有刷直流電動機作為執行電動機的系統了。這些國家相關的公司(如美國、英國、日本、德國等)已經不再大量生產伺服驅動用的有刷直流電動機了。

                          在伺服控制系統中,為了實現系統的快速起、停、加速、減速,要求電機有這樣兩個特點:①轉子轉動慣量?、谄饎雍妥畲筠D矩大。轉子轉動慣量的大小和轉子外徑有直接關系。對于異步電動機的轉子,是由帶齒、槽的鐵心構成。槽中用來安放感應繞組感生電流,產生轉矩,這樣轉子外徑的進一步減小有困難。對于有刷的直流電動機,電樞繞組放在轉子上,因此也無法進一步減小外徑。同時由于換向器的存在,更進一步限制了轉子外徑的減小。

                          無刷直流電動機的轉子主要是永久磁鐵構成的磁極體組成,電樞繞組在定子上,因而轉子外徑可以相對較小??梢宰龅酱蟮钠饎愚D矩和大的最大轉矩,更快地加速電機轉子和負載。在直流電機里,轉矩的大小和電流成正比關系。影響起動轉矩大小的因素主要有:①電流過大時,會造成永久磁鐵的不可恢復性的去磁②驅動控制器中功率器件的能力。在采用稀土永磁材料之后,由于矯頑力非常大,可以承受相當大的去磁磁勢,因此去磁的可能性不大。但對功率器件的能力卻是必須認真考慮的,否則會由于過電流和過熱而損壞。一般情況下,最大轉矩取在額定轉矩的3~5倍之間,在特殊情況下,取在5~10倍之間。

                          和有刷直流電機相比,無刷直流電動機由于革除了電的滑動接觸機構,因而消除了故障的主要根源。由于轉子上沒有繞組,因此就沒有電的損耗。又由于主磁場是恒定的,因此鐵損也是極小的(在方無刷直流電機在工業中的應用和發展波電流驅動時,電樞磁勢的軸線是脈動的,會在轉子鐵心內產生一定的鐵損)??偟膩碚f,除了軸承旋轉產生摩擦損耗外,轉子的損耗很小,因而進一步增加了工作的可靠性。

                          對于電動機的設計和應用,發熱問題必須作為一個基本原則考慮。發熱問題由兩方面因素確定:①電機的損耗②電機的散熱能力。和其它類型電機相比,無刷直流電動機的損耗小。這是因為:①永久磁鐵勵磁,沒有勵磁繞組,因此沒有勵磁繞組的電損耗②勵磁磁場是恒定的,因此勵磁磁場不會在轉子上產生鐵損③沒有電刷和換向器,因此也不會象有刷直流電動機那樣,產生由于電刷和換向器之間的摩擦損耗和電損耗。從散熱的角度看,由于電樞在定子上,直接和機殼相連,因此散熱條件好,熱傳導系數大。由于這樣的關系,在相同的條件下,在相同的出力要求下,無刷直流電動機可以設計的體積更小,重量更輕。研究開發高效、節能電動機一直是重要課題,尤其是無刷直流電動機的應用越來越普及,在數瓦至數千瓦這個功率段利用得更多。日本近些年來推出的分割鐵心結構的無刷直流電動機達到了卓越的效果。如松下公司推出M INAS HYDER的兩個系列的電機:超小型高效、節能系列和通用系列,容量就是數瓦至數千瓦。

                          和標準的三相電機相比,在同樣的輸出功率情況下,超小型系列的體積只有13大小,重量只有25 通用系列的體積只有標準三相電機的60 ,重量只有50.高效、節能系列電動機的起動轉矩大、轉動慣量小,因而動態特性好。

                          在電機結構的改進中,目前還有一個重要措施,就是取消機殼,定子鐵心直接和外面接觸。這樣定子磁路擴大,磁負荷下降,定子槽面積也可適當加大,好處是顯而易見的。

                          在一般的工業驅動應用領域,不論電機設計還是系統設計,提高效率節約能量都應該被放在重要的位置。據報道,美國55以上的電力是消耗在電動機運行上,因此提高電動機的效率,很有意義。以上的分析可以看出在所有類型電機中,無刷直流電動機的損耗最小、效率最高。有資料做過對比分析,對于7. 5kW的異步電機系統效率可達86. 4 ,但是同樣容量的無刷直流電動機效率可達92. 4.

                          隨著電子技術的進步,電子工業的發展,電子元器件的價格不斷下降??紤]綜合指標(系統性能、重量、能量消耗等)之后,無刷直流電機的應用正處于上升趨勢。下表是與其它電機的綜合特性比較。

                          性能系統機械特性過載能力可控性平穩性噪聲電磁干擾維修性壽命體積效率成本交流異步電機軟小難較差較大小易長大低有刷直流電機硬大易較好大嚴重難短較小高較高無刷直流電機硬大易好小易長小高較高以上分析可以看出,在工業應用中,無刷直流電動機在快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節能、效率、耐受環境和經濟性等方面具有明顯優勢。近幾年,隨著稀土永磁材料和電力電子器件性能價格比的不斷提高,無刷直流電動機作為中小功率高性能調速電機和伺服電機在工業中的應用越來越廣泛。下面就工業中的一些典型應用進行介紹分析。

                          2工業中的應用分類2. 1定速驅動機械一般工業用場合不需要調速的領域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機。

                          ( 1)單方向連續運行負載大多采用交流異步感應電機,電容運轉型單相或三相交流異步電動機。對不需要調速或是容許轉速隨負載略有變化的高速或中速機械,如水泵、風機、壓縮機等宜選擇相應轉速的2極或4極異步電動機( 2)對要求體積小、重量輕而工作轉速高(例如高于3 000r/min)的負載諸如攪拌器、吸塵器和地毯清掃洗滌機等,則多采用單相串勵電動機或直流電動機直接帶動負載但對要求噪聲較小的高速驅動,可考慮選用由逆變器供電的中頻異步電動機或由直流供電的無刷直流電動機。

                          ( 3)對功率較小、且轉速允差較大時的小型工作機械,則可選用較廉價的罩極式異步電動機。

                          ( 4)對轉速較低的工作機械,尤其是經常頻繁地正反轉調節,為了縮短過渡過程時間,提高生產效率、降低噪聲,可以采用低速直接驅動,選用低速電磁減速同步電動機或齒輪減速異步電動機。如自動門和大功率的攪拌機等。根據門負載的大小,選用功率從幾十瓦到幾百瓦的電機。

                          在以上的定速控制應用中,在功率不大于而且連續運行的場合,為了減少體積,節省材料,提高效率和降低能耗這些因素,越來越多的電機正被無刷直流電機逐步代替。而在功率較大的場合,由于一次成本和投資較大,除了永磁材料外還要增加驅動器,還較少有應用。

                          2. 2調速驅動機械速度需要任意設定和調節,但速度控制精度要求不高的調速系統分為兩種,一種是開環調速系統,另一種是閉環調速系統(此時的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器或交、直流測速等)。

                          通常采用的電機主要有三種:直流電機、交流異步電機和無刷直流電機。這在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量的應用。

                          在調速應用領域最初用得最多的是直流電動機,隨著交流調速技術特別是控制技術和電力電子技術的發展,交流變頻技術獲得了廣泛應用,變頻器和交流電動機迅速滲透到了原來直流調速系統的絕大多數應用領域,一方面是調速特性可以和直流電機系統相似,另一方面是交流電動機比直流電動機有著較大的優勢,容量大、可靠性高、干擾小、壽命長。而在一些特種應用領域,也同樣出現這種趨勢。然而由于無刷直流電機由于體積小、重量輕和高效節能等一系列優點,中小功率的交流變頻系統正逐步為無刷直流電機系統所替代,特別是在紡織機械、印刷機械等原來應用變頻系統較多的領域,而在一些直接由電池供電的直流電機應用領域,則更多的由無刷直流電機所替代。

                          2. 3精密控制用2. 3. 1高速、高精度定位控制伺服電動機在工業自動化領域的運動控制中扮演了一個十分重要的角色,應用場合的不同,對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同,因而在實際應用中,伺服電動機有各種不同的控制形式:轉矩控制/電流控制、速度控制和位置控制。高速、高精度定位控制多采用交、直流伺服系統,近年來由于交流伺服技術日趨成熟,已逐步替代直流伺服系統。方波電流驅動的交流伺服電機實際上就是無刷直流電機,國外一般成為BLDC.

                          2. 3. 2穩速控制―鎖相控制對要求具有嚴格同步轉速或恒速的裝置,如掃描儀、攝影機之類,則已大多采用帶穩速裝置的無刷直流電機。

                          在所有的工業系統,凡是需要精確定位,高速動作的場合,目前大多采用無刷直流電動機伺服控制系統。這種高性能系統的采用,不僅提高了生產效率,而且大大改善了產品質量,提高了產品的價值。下面可舉幾個例子:原來糖果的包裝,雖然圖形和色彩很漂亮,但由于定位不準,在每粒糖的包裝紙上的位置不一致,價格不高。采用了準確定位的糖果包裝機實現了圖形和字在每粒包裝紙上位置一致。據介紹糖果的價格提高了30.舊的毛巾印花機,由于定位不佳,毛巾上的圖樣會產生錯位,產品價格提不高,而且無法出口。先進的毛巾印花機,采用兩套帶有光學編碼器的無刷直流伺服電動機系統作為伺服驅動控制,生產效率高,定位準確,印花清晰,產品價格得以提高。這樣的例子非常多,在冶金系統、化工系統、輕工系統、家電系統、電子工業系統、計算機、視聽設備、裝配線、傳送機械設備、自動倉庫等等。

                          無刷直流電動機作為高性能的伺服電動機,早期應用的最多的場合是數控機床。早期的數控機床是采用步進電機作為執行電動機的。步進電機是天然的數字化執行電動機,輸入量是數字脈沖,輸出的機械量是隨輸入數字量而變的步進角度。但是由于步進電機固有的特性限制,不可能進一步提高速度和精度。目前生產的數控機床,由于采用了先進的數控無刷直流電動機伺服系統,使得設備的速度和精度都大大提高,性能更加完善,生產效率迅速提高。例如,目前高速沖床的最高沖制速度可達每分鐘800次。一般運行速度是每分種400次,精度可達1~2角分之內。在電機制造中,為了提高生產效率,以往都采用復式沖模進行沖片的沖制,沖片可以一次沖制成功。有了高速沖床之后,單式沖模就可達到相當高的生產效率,實現高速度、高精度。沖模的造價大大降低,沖模制造方便,加工周期縮短。

                          在各種機床加工設備中,往往不是一套伺服系統。

                          例如在多功能數控沖床中,除了主軸電機外,進給系統是由三套伺服系統完成的,其中包括:工件的軸轉動,工件的Y軸運動和沖頭沖位的進給。所有的運動都是在數控單元的指揮下,高速準確地完成。數控機床的應用在我國還不算普及,數控機床的研究、開發和生產也是相當薄弱。數控機床中數控系統、伺服系統多數還是依靠進口。因此在這方面的路還很長,而現代數控機床的應用在一定程度上代表著一個國家工業化水平。

                          3典型應用以下就服裝機械、紡織機械和交通運輸中的典型應用加以說明:3. 1工業縫紉機一般為70年代中期至80年代初期的水平。如電子定位針電動機三自動高速平縫機(可自動走無刷直流電機在工業中的應用和發展線、自動停針、自動定針數)?,F正向可編程的工業縫紉機單機自動化方向發展。

                          當前,國內高速平縫機供不應求,其原因之一是,國內企業過去縫紉設備以進口為主,現在則以國產為主,其質量已接近國外同類產品水平,價格僅為國外機的1 /2.

                          工縫機用電機已發展四代產品,即摩擦片式、渦流式交流異步電動機、混合步進電機和交流伺服電動機。

                          摩擦片式電子定位針電動機起步快,但速度和針位控制精度差,且摩擦片的摩損會影響定位可靠性,需經常保養和維修。渦流式電子定位針電動機雖定位精度較高,但起步慢,噪聲和振動大,不受制衣行業的歡迎。

                          混合式步進電機定位系統雖具有控制方便的優點,但起動頻率、運行速度達不到高速工縫機的要求,定位精度仍不理想。

                          交流伺服電動機系統是國外80年代后期開發應用的產品。1986年以來,以日本工縫機行業,如重機公司、兄弟公司等,已把交流伺服電機運用到各類微電腦控制的高性能、高速平縫機、多功能電腦繡花機等縫紉設備中,并以每年12的遞增速度取代原有的摩擦片或渦流式電子定位針電動機。這類交流伺服電機采用釹鐵硼永磁轉子,結構細長,在非軸伸端裝有編碼器,因而轉動慣量小、體積小、重量輕、動態性能好,且有高精度定位、效率高、壽命長、免維修、能在惡劣環境條件下使用等特點。該類電機在高速自動工業縫紉機上使用操縱自如,無噪聲污染,給人以舒適的工作環境。

                          3. 2紡織機械3. 2. 1絡筒機RH絡筒機,與238機型相比,特點為: ( 1)卷繞速度槽筒由無刷直流電機直接驅動,每個卷繞頭配備有自身的計算機,來自清紗器和傳感器的信號都集中于這一新型計算機中。捻接電機也改為無刷直流電機。

                          3. 2. 2.并紗機和捻線設備( 1)并紗機卷繞線速度進一步提高, SSM的型速度已達到了1 600 m /min,國產并紗機的最高速度也提高到800 m /min SSM公司采用了DIGICON E Preciflex專利技術使卷繞質量提高國產并紗機不僅提高了速度,而且在傳動方式、導紗形式、品種適應性方面都有較大的變化。傳動方式也從交流異步電機方式向無刷直流電機方式過渡。

                          ( 2)捻線設備短纖維倍捻機,絲倍捻機,工業用絲直捻機,捻并絲機,雙軸的卷繞頭驅動原來采用4kW左右的交流變頻電機系統, 2萬多轉的速度,目前也正在采用無刷直流電機系統。

                          ( 3)整經機分段整經機生產的經軸主要用于經編機,產品機電一體化水平很高,采用電子控制,操作方便。新產品中正考慮采用無刷直流電機。

                          3. 3電動車輛電動車電機驅動系統可以說是電動車整車的核心部分,我們要求高效節能、利于環境保護、舒適耐用、結構緊湊、操作方便、運行可靠、維護簡單等,在所帶能源有限的情況下,無刷直流電機系統正好具有這一系列的優點,典型應用的主要參數如下:( 1)電動自行車:整車速度20km /h,重量:以下,額定功率一般為120 200W,轉速: 161( 2)電動助動車:整車速度24km /h,重量:以下,額定功率一般為300 800W,轉速:( 3)電動摩托車:整車速度30~60km /h ,高的( 4)高爾夫球車:功率: 3 6kW.

                          異步電機方案,效率: 91 94 西歐多采用開關磁阻電機,效率: 90 而日本多采用無刷直流電動( 7)電動大巴:采用異步電機方案,電壓: 96 V DC,功率為150kW.電動大巴士輔助系統:汽車空調用7kW, 3 000r /min, 384V左右的無刷直流電機壓縮機系統,動力泵和剎車系統用的2. 5kW, 3左右的無刷直流電機。

                          4無刷直流電動機的發展趨勢無刷直流電動機是一種機電一體化產品,除了傳統的電機本體外,還必須帶有傳感器,以檢測定、轉子之間相對位置。而且離開了驅動控制電路,它不可能運行。同樣的,電子技術和電子元件的發展又進一步推動無刷直流電動機的發展。

                          4. 1電力電子技術及微處理技術對無刷直流電動機的影響4. 1. 1電機向高電壓、低電流發展相對來說,電子元器件容易做到高電壓、低電流,尤其是功率場效應晶體管。在大電流下管壓降大,晶體管上損耗也大。另一方面在高電壓、低電流情況下,功率晶體管上的管壓降為總線電壓的比例也小,這樣可以進一步提高系統的效率。

                          4. 1. 2正弦波電流驅動高速微處理器和DSP器件的出現,使得運行速度、處理能力提高很大,而且還有專用的控制芯片出現。隨著這些器件的普及和應用的擴大,器件成本大幅度下降。因此性能明顯優秀的正弦波電流驅動的電動機會比方波驅動的電動機更受歡迎。德國西門子公司早期開發的1F5系列是方波電流驅動的,現已停止生產,而以正弦波電流驅動的1F6系列代替。當然正弦波電流驅動的電動機需要帶有一定精度的位置傳感器,成本會更高一些,所以這種代替并不是在任何場合下都可使用的。

                          由于高速微處理器、DSP的出現,也更加保證了無刷直流電動機的性能。在一些需要控制成本的應用中,增加位置傳感器不太實用或無法接受。然而, DSP固有的計算能力可被用來在無刷電機上實現許多無傳感控制。在無刷直流電機中,可以有一種僅需四個電阻從獲得的位置、速率、干擾轉矩信息中進行分配網絡的無傳感控制算法。此外,這個算法提供了瞬態位置和速率信息,而不象傳統的算法中需要采取過零算法。算法要求大約500條指令(因此程序存儲量為500字) ,在這個控制器上執行時間約為13μs.

                          低成本DSP為壓縮機、洗衣機、風扇、泵機和高壓交流驅動中的無傳感控制(直流無刷電機)提供了一個獨一無二的和最優化方案,低成本的DSP電機控制器的應用已經說明無刷式非傳感器控制DC電機的應用前景,一個新型高性能器件已經隨著工業驅動設備的要求而推向了市場。

                          技術原來在采用雙極性功率晶體管時,電路的開關頻率一般在( 2 5) k Hz.這樣的頻率是在人耳聲頻范圍之內,噪聲令人討厭。同時在繞組電感不夠大時,繞組電流波形不夠平滑、紋波很大。采用功率場效應晶體管和絕緣柵雙極性晶體管之后,開關頻率可達10k Hz以上。這樣,不論是電磁噪聲,還是電流波形都得到改善。

                          4. 2新材料對電機技術的促進電機的小型輕量高效率和磁性材料的發展息息相關。磁性材料的發展過程基本上經歷了以下幾個發展階段。發展最早的是鋁鎳鈷,這種磁性材料磁能積低,合金中含鈷,價格貴,但溫度特性好,所以至今某些場合還是用到它。后來開發出鐵氧體磁性材料,這種磁性材料磁能積并不高,但價格低,因此在很長一段時間內占了主導地位。再后來是釤鈷合金的開發成功,這種磁性材料一下子突破傳統磁能積數值,成倍提高,但是合金元素釤是稀土元素,價格昂貴,合金元素也是比黃金貴幾倍的材料,且是戰略控制物資,因此大大局限了這種高性能磁性材料的推廣應用。1983年日本人發明了釹鐵硼( Nd FeB) ,引起了磁性材料的一場大革命。釹鐵硼磁性材料磁能積高,不含價格昂貴的合金元素,釤和釹同為稀土元素,但釹價格便宜得多,因此使電機效率的提高和小型化出現了轉機。

                          由于有了高磁能積的釹鐵硼,從而不需要體積碩大的軟磁和激磁繞線包。電機的體積重量因此可以大大減小,加工也變得簡單。電機的電樞繞組也由于磁性材料性能的提高而使繞組線圈大大減少。

                          4. 3性能改進和新品種的開發無刷直流電動機中,應該進一步改進的問題中首先是轉矩脈動,尤其是用于視聽設備、電影機械、計算機中的無刷直流電動機,更要求運行平穩、沒有噪聲。在這些應用場合中的電動機,大多為小功率、小尺寸的電動機,尺寸緊湊,改動更為困難。為了改進性能,利用計算機進行模擬、分析、計算、比較,研究氣隙磁場形狀和磁極結構,選擇合適的極對數和槽數以及合適的槽口尺寸。

                          為了滿足各種要求,也在不斷的開發各種類型的無刷直流電動機。如:無槽電機,定子鐵心無齒槽只有磁軛,定子繞組直接放在定子鐵心軛上盤式電機,具有兩個軸向的氣隙,在小容量的情況下,這種電機容易做到低噪聲、低振動、低轉矩脈動,高效率、高功率密度。和有刷直流電動機相對應,新品種中還包括:無刷直流力矩電動機、無刷直流直線電動機、無刷直流有限轉角電動機、低慣量無刷直流電動機等等。

                          無刷直流電動機相對于其它類型電動機,還是一種新型電動機。它的驅動、控制更是和電子技術息息相關。從最初用于軍事工業開始,隨著在工業中的廣泛使用,無刷電機正在大踏步地向家電、信息產品等消費品領域迅速發展。



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