无刷直流电动机特点和发展

直流无刷电机工作原理

所谓直流无刷电机，是具备直流电机与交流电机之优点，对于以往直流电机之用途，连近年来交流电机之用途，均有直流无刷电机被加以利用，就构造而言，若将有电刷的永磁式直流伺服电机的定子与转子互换就成为永磁式直流无刷伺服电机，不过无刷式电机的定子线圈为三相绕组，故基本上其为交流电机，直流无刷是沿用产业惯用之名称。直流无刷电机是将传统的DC电机之整流部份（电刷及换向器）以电子方式代替且保留DC电机可急遽加速，转速和外加电压成正比，转矩和电枢电流成正比等优点，为一特性非常优良之电机。直流无刷电机最大的特征为无刷构造的关系，原理上不会产生噪声。无刷电机之激磁部份在转子上由永久磁铁构成，电枢位于定子上，因此可以不需要电刷传导电流。因此其驱动电路一般均使用PWM型变频器，再配合霍尔组件或分解器等磁极检测组件，可得圆滑且稳定之转矩，常用于需要高速及高精度控制之情况。

常用的传统直流电机的缺点：

电刷与换向片的高速滑动，造成电刷与换向片磨擦甚巨，如此一来引起不必要的种种电气障碍与故障。

改进方式：

直流无刷电机针对此缺点改进，取代引起毛病的电刷与换向片，改以电子组件代替，但原有直流机的优点仍能保留，故无刷直流电机可说是传统直流电机改进而成的。

无刷电机与有刷电机之差异与比较：

· 有刷电机

以机械式整流子或电刷来控制换向动作

· 无刷电机

以电子式的晶体管来控制换相动作。

利用磁场力的吸引及磁场的变化(换向)来达成旋转输出的动作。

电子式的换向器主要是利用Hall Sensor 感应电机位置的变化，以控制晶体管的开或关。

无刷电机与有刷电机之差异

无刷电机与有刷电机之比较

(1)换向时不易产生高温之电弧及金属屑。

(2)电气噪声少，可靠度高、寿命长且易高速化。

(3)低电压、起动快、易控制。

(4)制造容易、体积小。

(5)可适用于高温环境下且维修费低。

(6)在电刷部分不产生碳粉、油雾等之污垢。

用途

永磁直流电机是用永磁体建立磁场的一种直流电机。永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中，如录音机、VCD机、电唱机、电动按摩器及各种玩具，也广泛应用于汽车、摩托车、电动自行车、蓄电池车、船舶、航空、机械等行业，在一些高精尖产品中也有广泛应用，如录像机、复印机、照相机、手机、精密机床、银行点钞机、捆钞机等。在舞台灯光方面，永磁直流电机，特别是小型永磁直流齿轮电机的用量非常大。计算机行业中的打印机、扫描仪、硬盘驱动器、光盘驱动器、刻录机、冷却风扇等都要用到大量的永磁直流电机。

汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、打气泵更是用到各种永磁直流电机。宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机等都用到永磁直流电机、在武器装备中，永磁直流电机广泛应用于导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

在工农业方面，永磁直流电机也广泛用于电气和自动化控制及仪器仪表中。在医用方面，永磁直流电机用处更不小，如医用的各种仪器、手术工具，如开脑手术中的电动锯骨刀，特别是野外手术中的各种仪器基本上都是用的永磁直流电机。在残疾人用品方面，如机械手、残疾车等都用到永磁直流电机。在生活方面，用处更多，连牙刷也用永磁直流电机做成电动牙刷了。永磁直流电机的应用真是举不胜举，可以说是无处不在。

随着时代的发展，永磁直流电机的应用会更多，原先用交流电机的许多场合均被永磁直流电机所替代。特别是出现永磁无刷电机后，永磁直流电机的生产数量在不断地上升。我国每年生产的各种永磁直流电机大达数十亿台以上，生产永磁直流电机的厂家不计其数。

特点

1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；

2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；

4、体积小、重量轻、出力大；

5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；

无刷直流电机结构、类型和基本原理

2009年10月14日

无刷直流电动机

一、概述

直流电动机的主要优点是调速和启动特性好，堵转转矩大，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰。缩短电动机寿命，换向器电刷装置又使直流电动机结构复杂、噪声大、维护困难，长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。

随着电子技术的迅速发展，各种大功率电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。本章要介绍的无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电动机既具有直流电动机的特性。又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点；它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转要中运行。

元刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快地发展。

二、无刷直流电动机的基本结构和类型

(一)基本结构

无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。其基本结构如图5一20所示。

电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括主定子和主转子两部分，主定子上放置空间互差120。的三相对称电枢绕组Ax、BY、cz，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成的一对磁极。转子位置传感器也由定子、转子两部分组成。定子安装在主电动机壳内，转子和主转子同轴旋转。它的作用是把主转子的位置检测出来．变成电信号去控制电子开关电路，故也称转子位置检测器。电子开关电路中的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接．通过位置传感器输出的信号，控制三极管的导通和截止．从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变，按一定的顺序进行切换，实现无接触式的换向。

直流无刷电动机及其调速控制

1．直流无刷电动机的发展概况与应用

有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。

1955年美国的等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。

随着现代永磁材料和相关电子元器件的性能不断提高，价格不断下降，无刷电动机的到了快速发展，并被广泛应用于各个领域，例如，在数控机床、工业机器人以及医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺机械和家用电器等小功率场合，计算机的硬盘驱动和软盘驱动器器中的主轴电动机、录像机中的伺服电动机等。

2．直流无刷电动机的基本结构和工作原理 直流无刷电动机的结构