无刷直流电动机的特点及其优势
节能减排是全球的严峻课题、国家发展改革委员会于2005年6月1日启动了《节能中长期 专项规划》十大重点节能工程，其中的一项就是电机系统节能工程。在“十一五”期间，实现电 机系统运行效率提高2个百分点、节电能力200亿千瓦时。目前中国的各类电动机总容量约5．8 亿千瓦，占全国总耗电量的60％以上，其中交流电动机占90％左右、整体运行效率比先进国家低 10％以上。提高电动机系统的运行效率具有重要意义。
无刷直流电动机作为一种高效率速度控制电动机引人注目、但市场的知名度还小高。许多用 户在设备用电动机的选择上经常出现不合理的现象。比如为了实现设备的功能、当变频器控制的 异步电动机满足不了要求时就盲目的选用昂贵的伺服电动机、其中有些情况完全可以用价格较低 的无刷直流电动机来实现。
下面对小功率交流电动机、无刷直流电动机、伺服电动机的各种性能进行了较详细的实验比较、结果表明无刷直流电动机不仅具有高效节能的特点，还具有比变频器控制异步电机优良的转速稳定性，具有比伺服电机低的价格l／3。除了精密位置控制，低速运行和快速啊应的要求以外，很多情况下无刷电机可以满足设备的要求。
本文的目的是使用户进一步理解无刷直流电动机的特点，掌握无刷直流电动机的优势，为更 当理的选择电动机提供参考。
1无刷直流电动机与伺服电动机的不同
无刷直流电动机的结构与伺服电动机相同，若使用相同的材料则电动机的性能也相同。其主要区别在于转子位置传感器和电流传感器。如图l所示。由于传感器的不同、伺服电动机可以实现位置控制、低速运行、转矩控制功能。除了这些功能以外、无刷直流电动机的性能可以与伺服毛动机媲美、而价格方面无刷直流电动机具有很大优势。
无刷直流电动机的转子位置传感器采用霍尔Ic、而伺服电动机的转子位置传感器采用高分辨率的编码器、能准确的检测转子的位置、实现低转速运行及高精度的位置控制。但是编码器与霍尔Ic相比价格昂贵、伺服电动机追求高输出采用高磁能积磁钢、这些因素进一步增加了伺服电动机的价格。
图2表示伺服电动机的框图。伺服电动机利用编码器检测的转子位置信号以及电流传感器检测的2相电流通过矢量控制法对转矩进行控制进而实现速度控制和位置控制。由于装载了编码器和电流传感器，电动机功能增加的同时，电使价格也昂贵了。
图3代表输出功率为200w的无刷直流电动机与伺服电动机产品的特性比较。图中的数字代表当无刷直流电动机的特性为i时伺服电动机特性的倍数。
电机的起动转矩、重量、****惯性方面伺服电动机优势较大，在电动机效率速度稳定性****转速方面相差无几，价格方面伺服电动机是无刷直流电动机的3．3倍。若以速度稳定性为选自基准时，伺服电动机与无刷直流电动机性能差别不大，而价格上无刷直流电动优势较大。
既当重视电动机的响应或进行位置控制时选择伺服电动机是必要地。而在其它用途上，选择无刷直流电动机也可以实现相同的特性和功能，而使装置的成本降低。例如在印刷机中可以看到用伺服电动机来驱动油刷子动作的事例，如果是为了速度稳定性而选用了伺服电动机的话，选用无刷直流电动机也是可行的。
2变频器控制的异步电动机与无刷直流电动机的不同
在设备上使用的调速电动机中，变频器控制的异步电动机应用的较多。另外，认为变频器控制的异步电动机高效节能而选用的事例也不少。然而对变频器控制的异步电动机的特性在充分理解的基础上采用的事例很少。所以加深对变频器的理解，选择适合设备的电动机是必要的。下面用具体数据对变频器控制的异步电动机的特性，对比无刷直流电动机特性加以说明。
2 1变频器控制异步电动机与无刷直流电动机的效率
图4表示额定功率40w的变频器与无刷直流电动机的各种负载情况下的电动机损耗。图中，数值[w]=变频器的损耗[w】无刷直流电动机的损耗fw]。
由图4可以看出从低速到高速，从额定负载转矩到轻载的各种运行情况下，无刷直流电动机的损耗都低于变频器，其****差值达14．6w。假设每套装置中使用20台电动机，每天丁作24小时，其节能效果计算如下。
即1年减少电力消耗2560kw，相当于节约金额约56000日元，co2减少约l.4 t(1 kwh=22 43日元)。
无刷直流电动机的效率比变频器的效率高的主要原因是，变频器控制用的电动机为异步电动机，为了产生电磁转矩，转子中有2次电流。而无刷直流电动机的转子磁场由****磁钢提供，转子中不需要2次电流，不存在由2次电流引起的损耗。另为无刷直流电动机利用传感器检测的磁极位置信号控制电动机的通电状态，无论在额定转速还是O转速都能保证绕组产生的磁场与转子磁场正交，实现了用最小的电流产生****的电磁转矩。并目，能随着负载的变化控制电流的大小，在轻载时只需要很小的电流，所以在低速小转矩情况下与异步电动机的损耗差别更明显。
3变频器控制的异步电动机与无刷直流电动机的特性
变频器控制的异步电动机与无刷直流电动机在电动机的特性方面有很大差别。
以图5所示的传送带为例，介绍变频器与无刷直流电动机的差别。
假设传送速度v=150～750 mm／s，搬运重量O～10 kg。电动机的选择如下：
1)若选用变频器，系统构成：变频器-40w异步电动机十1／7 5齿轮2)若选用无刷直流电动机，系统构成：40w无刷直流电动机+1／10齿轮两种构成方案的比较如表1所示。
3 1对负载的转速变化率
当传送带的速度分别为150mm/s、400mm／s、750mm／s，搬送重量为150mm/动的实验结果如下。
无刷直流电动机的转速变化率的实测值近似为0。变频器控制的异步电动机的转速变化率的实测值如表2所示。
由表2可以看出，传送重量及传送速度设定的不同，速度变化也不同，其变动范围为28mm/s～84 mm/s，****变化率为一37．6％，这意味着由负载的变化使工作效率降低了约％30。
3 2对温度的转速变化率
由实验测得的在不同负载下电动机起动时对应速度到温度饱和时对应的速度如下所示。无刷直流电动机的转速变化率的实测值近似为O。变频器控制的异步电动机的转速变化率的实测值如表3所示。
结果表明，变频器控制的异步电动机对温度的转速变化也很大，****转速变化率达一22．3％。
温度变化引起转速变化的主要原因是由于异步电动机阻抗随温度变化引起的。当温度上升时阻抗增加，电动机的输入减小滑差变大，使速度变化增加。
实际上，由负载引起的速度变化和由温度引起的速度变化同时产生，从起动时f常温状态)到运行中f高温状态)的变频器控制异步电动机的速度变化如表4所示。
将表4用图表示如图6。可以看出，转速越低，负载转矩越大，速度变化率越大。对于速度范围大，负载变化剧烈的用途，将产牛速度变动过大，对装置的时序管理带来影响。
例如对l 5m长的传送带设定速度150mm，s，轻载时传送时间为10 s。lO kg负载时传送时间将需要21 s。由于重量的变化引起传送速度变化，传送同样的距离需要1倍以上的时间，既随着重量的变化传送 时间也变化，不仪给设备的设计带来麻烦，还使设备的运用率降低，生产率下降。而无刷直流电动机即使负载有变化转速也能保持一定，给设备的设计带来方便，生产率也能保持一定。
3.3调速范围和速比
表5给出了变频器控制异步电动机和无刷直流电动机的调速范围和速比。
变频器控制异步电动机的转速范围为200r/min 2400r，min(转速比1：12)。无刷直流电动机的 专速范围为80r，min 4000r，min(转速比1：50)。
无刷直流电动机与变频器控制异步电动机相比，调速范围宽，对于要求从低速到高速任意变 化的用途(例如搬运系统中的缓慢送出，高速返同等用途)，无刷直流电动具有较大的优势。
3 4温升
表6给出了额定运行和间断运行状况F的无刷直流电动机与变频器控制异步电动机表面温升 的实验结果。
与变频器控制异步电动机相比， 无刷直流电动机的温升得到了抑制。一般电动机使用环境的温度f一限为40℃。在此环境下使用变频器控制异步电动机时，电动机表面的温度将达到75 6℃，按一般的安全规格(EN60950cI 4 5 4)的要求，将被判为危险温度，在电机表面必须贴上烫伤注意警告。可见在温升方面无刷直流电动也具有较大的优势。
3 5****输入电流
关于电动机起动时的****输入电流，变频器控制异步电动机为7A，而无刷直流电动机为3A。
无刷直流电动机的****输入电流小的主要原因是，无刷直流电动机采用速度闭环控制，利用指令转速与实际转速的差调节加于电动机的电压，并且利用位置传感器的磁极位置信号控制电动机的通电状态，实现了用最小的电流产生****的电磁转矩。因此起动时变频器控制异步电动机与无刷直流电动机的****输入电流相差较大，特别是电动机台数多时，为了保证起动电流，将导致电源设备大容量化。
4总结
无刷直流电动机与伺服电动机相比，作为调速电动机使用时，除了低速运行以外，其特性基本相同，而价格为伺服电动机的1／3，价格优势很大。在有些设备和装置中，选用无刷直流电动机也可以圆满实现对设备的要求。所以根据电动机的用途，设备及装置的精度等来选择最合适的电动机是必要的。
无刷直流电动机与变频器控制异步电动机相比，在电动机的效率，温升，转速变化率等方面有明显优势。表7是无刷直流电动机与变频器控制异步电动机主要特性的比较。
对于设备中的电动机速度需要控制的用途，有时选用变频器控制异步电动机难以满足性能或精度的要求，特别是近年来，类似于搬运物的均匀表面处理的用途，速度稳定性成为重要的技术指标。满足这些要求，选用无刷直流电动机是很有效的。
相信今后无刷直流电动机作为高效率速度控制电动机将在各个领域得到更广泛的应用。
参考文献 国家发展改革委员会节能rp长期专项规划，2005
|
