無刷直流電動機在機械操作性能試驗裝置上的應(yīng)用研究

駱富保 王小強

（1.甘肅電器科學(xué)研究院 2.蘭州城市學(xué)院）

0 引言

低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的基本性能要求對斷路器等機械開關(guān)進(jìn)行機械操作試驗以驗證其滿足正常使用壽命要求。對于電器機械操作性能試驗來說需要進(jìn)行多次的重復(fù)操作，每個操作包括不同電流的操作性能試驗，閉合操作后接著斷開操作，或通電流的操作性能試驗，接通操作后接著分?jǐn)嗖僮?。如何使接通和分?jǐn)嗖僮髯兊冒踩咝?、重?fù)間隔和次數(shù)變得可控是機械操作性能試驗主回路之外輔助裝置的研究重點。

直流電動機因為電刷存在換向火花使其壽命縮短，產(chǎn)生噪聲和電磁干擾而被變頻調(diào)速的異步電機取代，當(dāng)今電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展，以及數(shù)字信號控制器出現(xiàn)，使得電子換向取代換向器和電刷成為可能。無刷電機有著廣闊的市場，其相應(yīng)的控制器也總需要更新?lián)Q代，無刷電機的應(yīng)用不僅僅在交通工具上，還在電力傳動領(lǐng)域、數(shù)控設(shè)備、家用電器、工業(yè)生產(chǎn)上[1]。變壓調(diào)速的旋轉(zhuǎn)磁場直流電動機比變頻器實現(xiàn)起來簡易可靠，其優(yōu)越的轉(zhuǎn)矩性能和調(diào)速性能，又是變頻控制無法比擬的。無刷電機的換向、驅(qū)動使其在運轉(zhuǎn)中平穩(wěn)可靠，可以很好地應(yīng)用于機械操作性能試驗裝置。

1 無刷直流電動機的發(fā)展歷程及在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外，電機大致沿著AC 交流異步電機、直流無刷電機、步進(jìn)電機、伺服電機這樣的演變流程在發(fā)展。各種類型電動機的選擇，往往是根據(jù)其具體的工作狀況和要求的設(shè)計性能來進(jìn)行選型[2]。改革開放以來，我國各行各業(yè)得到了很快的發(fā)展，毫無疑問，工業(yè)自動化也迎來了其飛速發(fā)展的時代。20 世紀(jì)90 年代，我國就已經(jīng)引進(jìn)了伺服電動機，由于伺服電機的引進(jìn)，國內(nèi)自動控制人士才接觸到了當(dāng)時最先進(jìn)的電機類型。而在這以前，國內(nèi)大部分工程師都比較傾向于使用AC 交流異步電機[3]。相比于馬達(dá)，由于其類型單一，使用范圍也比較小?？v觀我國電動機的發(fā)展使用歷程，其相比于國外出現(xiàn)了跳級的現(xiàn)象，即由AC 交流異步電動機直接跳到了最高端的伺服電機，而跳過了中間類型的步進(jìn)電機和直流無刷電機。而在實際工況中，很多情況下使用直流無刷電機不僅可以降低成本，其控制也比伺服電機簡單[4]。

直流無刷電機，顧名思義就是沒有“碳刷”的電動機。碳刷是在一些電動機的固定部分與旋轉(zhuǎn)部分做信號或能量傳遞的裝置，碳刷在電機的運動部件之間傳導(dǎo)電流，能夠?qū)㈦娏鲝墓潭ǘ藗鬟f到發(fā)電機或電動機的旋轉(zhuǎn)部分。早期的直流電機都是帶有“碳刷”的。然而其缺點也是較為突出。磨損問題：由于有刷電機的電刷與電機換向環(huán)（集電環(huán)）之間相互磨損，導(dǎo)致電刷會逐漸磨損損壞，需要定期更換；噪音問題：有刷電機在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生明顯的刷聲，隨著電刷與換向環(huán)磨損加劇，噪音會越來越大；發(fā)熱問題：由于電刷在與換向環(huán)接觸時會產(chǎn)生摩擦發(fā)熱，再加上電刷與換向環(huán)之間的接觸電阻，有刷電機的效率會受到影響，甚至?xí)l(fā)熱；壽命問題：有刷電機的壽命比較短，通常只能使用幾千小時就需要更換電刷，更換電刷也需要專業(yè)技術(shù)，不能自行更換；容易出現(xiàn)火花：在低壓條件下，有刷電機容易出現(xiàn)火花現(xiàn)象，影響電機的正常運行，甚至?xí)鸹馂?zāi)等危險。

2 無刷直流電動機簡介

直流無刷電動機（BLDC）是一種采用電子換相技術(shù)，沒有機械換向器的電動機。它的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的直流電動機類似，由轉(zhuǎn)子、定子和磁鐵等組成，但它采用了新型控制器、感應(yīng)器和自動化系統(tǒng)來驅(qū)動電機[5]。BLDC 的電子控制器可以實現(xiàn)高精度的電能轉(zhuǎn)換。由于直流無刷電機本質(zhì)上也屬于同步電機，那么其電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度以及轉(zhuǎn)子極數(shù)就會影響電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。由公式：N=120×f/P（N為級數(shù)）可知，如果轉(zhuǎn)子極數(shù)P固定不變，只需要改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率f就可以達(dá)到改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速目的。

無刷直流電動機可以實現(xiàn)無級變速，BLDC 電機的控制方式主要有電勢控制和矢量控制兩種。電勢控制簡單易懂，但調(diào)速控制精度不高；矢量控制具有精細(xì)的調(diào)速控制，但需要更復(fù)雜的控制電路。因此，選擇適合的控制方式是BLDC 電機應(yīng)用中必須考慮的重要問題。

3 無刷直流電動機的構(gòu)造

BLDC 的構(gòu)造與傳統(tǒng)的直流電動機類似，由定子、轉(zhuǎn)子和磁鐵組成[6]。但BLDC 電機沒有機械換向器，而是采用電子控制器來驅(qū)動電機。定子：BLDC電機的定子通常采用三相繞組，每個繞組與其相鄰兩個的繞組之間相位差120°。繞組的銅線通常繞在硅鋼板上，以增強磁場，提高效率。轉(zhuǎn)子：BLDC 電機的轉(zhuǎn)子通常采用永磁體材料，如NdFeB 等，這樣可以提供強大的磁場，保證電機具有高轉(zhuǎn)矩和高效率。另外，轉(zhuǎn)子上的磁鐵通常以特定的方式排列（如平行排列、交錯排列等），以提高電機的運行效果。傳感器：BLDC 電機的傳感器可用于檢測電流、速度、位置和加速度等參數(shù)，以幫助電子控制器根據(jù)不同的運行條件來控制電機運行[7]。磁氣元件霍爾IC 固定在定子的內(nèi)側(cè)，一般安裝有3 個，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，即從霍爾IC 輸出數(shù)字信號。

外形及內(nèi)部構(gòu)造如圖1、圖2 所示，構(gòu)造及霍爾IC 內(nèi)部圖如圖3 所示。

圖1 電機剖視圖

圖2 繞組構(gòu)造

圖3 無刷直流電動機的構(gòu)造及霍爾IC 內(nèi)部

4 直流無刷電動機的特點

無刷直流電動機是一種新型的電動機，與傳統(tǒng)的有刷直流電動機相比較，直流無刷電機具有很多優(yōu)點。無刷直流電動機采用電子換向器代替了傳統(tǒng)的機械換向器，具有更高的可靠性和更長的使用壽命。無刷直流電動機的效率更高，能耗更低，可以滿足更高的性能要求。無刷直流電動機噪音更低，振動更小，工作更穩(wěn)定，對機械操作性能試驗裝置的影響更小，具有剎車、雙轉(zhuǎn)向功能。無刷直流電動機具有自動控制和保護(hù)功能，可以通過編程實現(xiàn)不同的控制方式，實現(xiàn)更高的自動化程度。

5 無刷直流電動機在機械操作性能試驗裝置中的應(yīng)用

無刷直流電動機基于其構(gòu)造特點和功能，其在機械操作性能試驗裝置中的應(yīng)用也很廣泛[8]。第一，無刷直流電動機可用于驅(qū)動負(fù)載模擬器，模擬不同負(fù)載下的性能參數(shù)；第二，無刷直流電動機可用于驅(qū)動傳動系統(tǒng)，測試傳動系數(shù)和傳動效率；第三，無刷直流電動機可用于驅(qū)動加載裝置，模擬加荷狀態(tài)下機械部件性能的變化；第四，無刷直流電動機可用于驅(qū)動轉(zhuǎn)臺，測試機械部件在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的性能參數(shù)。對于機械操作性能試驗輔助裝置的執(zhí)行機構(gòu)，選用無刷直流電機具有非常大的優(yōu)勢?？傊?，無刷直流電動機在機械操作性能試驗裝置中具有廣泛的應(yīng)用前景，可實現(xiàn)更高的自動化和智能化程度，為機械制造工業(yè)的發(fā)展提供有力的支撐。

6 選用無刷電動機的原因

區(qū)別于有刷直流電機，無刷直流電機以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料。用方波自控式永磁同步電機代替了傳統(tǒng)的機械電刷裝置。性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機有很大優(yōu)勢，是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機。它的優(yōu)勢在于高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性、可伺服控制、無級變頻調(diào)速、相對低成本且簡單易用。

電動機的啟動電流一般為額定電流的4～7 倍，無刷直流電動機最大啟動電流為3A，而變頻器控制異步電動機的啟動電流最大可以達(dá)到7A。無刷直流電動機最大啟動電流的2 倍多。變頻器控制異步電動機與無刷直流電動機的最大啟動電流還是相差較大。如果啟動電流太大，這在數(shù)量較多的電動機啟動時對電源容量的要求就非常高，為了保證電動機的正常啟動電流，就要求電源設(shè)備大容量化。從這個角度看無刷直流電動機更加具有優(yōu)勢。

無刷直流電動機的定子繞組大多采用三相對稱星形連接，與三相異步電動機非常相似。電機的轉(zhuǎn)子上裝有磁化的永磁體。為了檢測電機轉(zhuǎn)子的極性，在電機中安裝了位置傳感器。驅(qū)動器由電力電子器件和集成電路組成。它的作用是接收電機的啟動、停止和制動信號，控制電機的啟動、停止和制動。接收位置傳感器信號和正負(fù)信號，控制逆變電橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接收速度指令和速度反饋信號，用于控制和調(diào)節(jié)速度；提供保護(hù)、顯示等。對于無刷直流電動機不能用于大功率發(fā)動機的缺點，試運轉(zhuǎn)裝置所需轉(zhuǎn)矩小，可以很好地滿足設(shè)計要求，可以忽略。

7 結(jié)束語

機械開關(guān)電器若依賴人力操作，操作的速度和操作力都取決于操作者，機械操作性能的試驗對操作過程的連續(xù)性也有著嚴(yán)苛的要求，有關(guān)人力操作的斷路器在操作時速度應(yīng)為0.1m/s±25%，在試驗裝置的末端碰觸到斷路器操動裝置時進(jìn)行測量[9]。無刷直流電動機可以在作為執(zhí)行機構(gòu)的電動機拖動工作機械過程調(diào)節(jié)速度時，使其轉(zhuǎn)速均勻平滑變化，實現(xiàn)操作輔助裝置的無級調(diào)速，達(dá)到試驗的操作速度要求。使得機械操作試驗大大地提高了準(zhǔn)確度和可重復(fù)性。