一、無刷電機概述

　　無刷電機是指無換向器（或集電環）和電刷的電機，又稱無換向器電機。目前主要應用的無刷電機主要是指無刷直流電機和交流同步伺服電機（永磁同步電機）。因為其噪音低，壽命長等特點而廣泛使用。

二、無刷電機特點

無刷直流電機

　　無刷直流電機英文簡稱BLDC。無刷直流電機與有刷直流電機不同的是，無刷直流電機不使用機械的電刷裝置，采用方波自控式永磁同步電機，以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉子的永磁材料，性能上比一般的傳統直流電機要好，是當今最理想的調速電機。

　　直流無刷電機的本質為采用直流電源輸入，并用逆變器變為三相交流電源，帶位置反饋的永磁同步電機。

　　無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。

交流同步伺服電機(永磁同步電機)

　　永磁同步電動機的組成部分：定子、永久磁鋼轉子、位置傳感器、電子換向開關等。

　　永磁同步電動機具有結構簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數高等優點，主要用于要求響應快速、調速范圍寬、定位準確的高性能伺服傳動系統和直流電機的更新替代電機。

　　通常所說的永磁同步電動機是正弦波永磁同步電動機，同一般同步電動機一樣，正弦波PMSM的定子繞組通常采用三相對稱的正弦分布繞組，或轉子采用特殊形狀的永磁體以確保氣隙磁密沿空間呈正弦分布。這樣，當電動機恒速運行時，定子三相繞組所感應的電勢則為正弦波，正弦波永磁同步電動機由此而得名。

　　正弦波PMSM是一種典型的機電一體化電機。它不僅包括電機本身，而且還涉及位置傳感器、電力電子變流器以及驅動電路等。

　　內置式永磁同步電機無位置傳感器（interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM）矢量控制系統,通過將滑模觀測器和高頻電壓信號注入法相結合,在無位置傳感器IPMSM閉環矢量控制方式下平穩啟動運行，并能在低速和高速運行場合獲得較準確的轉子位置觀察信息。

永磁直流無刷電機

三、無刷電機應用

無刷直流電機

　　無刷直流電機的應用十分廣泛，如汽車、工具、工業工控、自動化以及航空航天等等。總的來說，無刷直流電機可以分為以下三種主要用途：

1、持續負載應用

　　主要是需要一定轉速但是對轉速精度要求不高的領域，比如風扇、抽水機、吹風機等一類的應用，這類應用成本較低且多為開環控制。

2、可變負載應用

　　主要是轉速需要在某個范圍內變化的應用，對電機轉速特性和動態響應時間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機和壓縮機就是很好的例子，汽車工業領域中的油泵控制、電控制器、發動機控制等，這類應用的系統成本相對更高些。

3、定位應用

　　大多數工業控制和自動控制方面的應用屬于這個類別，這類應用中往往會完成能量的輸送，所以對轉速的動態響應和轉矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時可能會用上光電和一些同步設備。過程控制、機械控制和運輸控制等很多都屬于這類應用。

　　實用性新型無刷電機是與電子技術、微電子技術、數字技術、自控技術以及材料科學等發展緊密聯系的。它不僅限于交直流領域，還涉及電動、發電的能量轉換和信號傳感等領域。在電機領域中新型無刷電機的品種是較多的，但性能優良的無刷電機因受到價格的限制，其應用還不十分廣泛。下面分別就主要的新型無刷電機進行探索與研究。

永磁同步電機

按照不同的工農業生產機械的要求，電機驅動又分為定速驅動、調速驅動和精密控制驅動三類。

1、 定速驅動

　　工農業生產中有大量的生產機械要求連續地以大致不變的速度單方向運行，例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅動。異步電動機成本較低，結構簡單牢靠，維修方便，很適合該類機械的驅動。但是，異步電動機效率、功率因數低、損耗大，而該類電機使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農業中大量使用的風機、水泵往往亦需要調節其流量，通常是通過調節風門、閥來完成的，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調節風機、水泵中異步電動機轉速來調節它們的流量，取得可觀的節能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動機本身的低效率依然存在。

2、 調速驅動

　　有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調節，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅動系統在包裝機械、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應用。

　　交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕、高效節能等一系列優點，越來越引起人們重視，其控制技術日趨成熟，控制器已產品化。中小功率的異步電動機變頻調速正逐步為永磁同步電動機調速系統所取代。電梯驅動就是一個典型的例子。電梯的驅動系統對電機的加速、穩速、制動、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動機調速系統，其缺點是不言而喻的。70年代變頻技術發展成熟，異步電動機的變頻調速驅動迅速取代了電梯行業中的直流調速系統。而這幾年電梯行業中最新驅動技術就是永磁同步電動機調速系統，其體積小、節能、控制性能好、又容易做成低速直接驅動，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒適性都優于以前的驅動系統，適合在無機房電梯中使用。永磁同步電動機驅動系統很快得到各大電梯公司青睞，與其配套的專用變頻器系列產品已有多種牌號上市。可以預見，在調速驅動的場合，將會是永磁同步電動機的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步電動機產品相配的變頻控制器，功率從0.4kW～300kW,體積比同容量異步電動機小1～2個機座號，力能指標明顯高于異步電動機，可用于泵、運輸機械、攪拌機、卷揚機、升降機、起重機等多種場合。

3、 精密控制驅動

① 高精度的伺服控制系統

　　伺服電動機在工業自動化領域的運行控制中扮演了十分重要的角色，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。實際應用中，伺服電動機有各種不同的控制方式，例如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動機系統也經歷了直流伺服系統、交流伺服系統、步進電機驅動系統，直至近年來最為引人注目的永磁電動機交流伺服系統。最近幾年進口的各類自動化設備、自動加工裝置和機器人等絕大多數都采用永磁同步電動機的交流伺服系統。

② 信息技術中的永磁同步電動機

　　當今信息技術高度發展，各種計算機外設和辦公自動化設備也隨之高度發展，與其配套的關鍵部件微電機需求量大，精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低噪聲和低振動，精度要求更是特別高。例如，硬盤驅動器用主軸驅動電機是永磁無刷直流電動機，它以近10000rpm的高速帶動盤片旋轉，盤片上執行數據讀寫功能的磁頭在離盤片表面只有0.1～0.3微米處作懸浮運動，其精度要求之高可想而知了。信息技術中各種設備如打印機、軟硬盤驅動器、光盤驅動、傳真機、復印機等中所使用的驅動電機絕大多數是永磁無刷直流電動機。受技術水平限制，這類微電機目前國內還不能自己制造，有部分產品在國內組裝。

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