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无刷直流电机最强科普(收藏版)

2021-05-13 16:10:23     来源:华秋        

【哔哥哔特导读】在无刷电机诞生不久,人们就发明了直流有刷电机。直流有刷电机因机构简单,生产加工容易,维修方便,容易控制,一经问世便成为了当时的主流。

无刷直流电机(BLDC:Brushless Direct Current Motor),也被称为电子换向电机(ECM或EC电机)或同步直流电机,是一种使用直流电(DC)电源的同步电机。无刷直流电机实质上为采用直流电源输入,并用逆变器变为三相交流电源,带位置反馈的,永磁同步电机。

电机

电机有各式各样的种类,而无刷直流电机是当今最理想的调速电机。它集直流电机与交流电机的优点于一身,既有直流电机良好的调整性能,又有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。因而备受市场欢迎,广泛应用于汽车、家电、工业设备等领域中。

01、无刷直流电机发展历史

直流无刷电机并不是最早的产品,而是在有刷电机的基础上发展而来的,其结构上要比有刷电机结构复杂。直流无刷电机由电机主体和驱动器组成,区别于有刷直流电机,无刷直流电机不使用机械的电刷装置,而是采用方波的自控式永磁同步电机,并以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料。

但是,早在上世纪诞生电机的时候,产生的实用性电机却是无刷形式的。

1740年代:电机发明开始

通过苏格兰本笃会修士和科学家安德鲁・戈登(Andrew Gordon)的研究工作,电机的早期模型首次出现于1740年代。其他科学家,例如迈克尔・法拉第(Michael Faraday)和约瑟夫・亨利(Joseph Henry)继续开发早期的电机,尝试电磁场并发现如何将电能转化为机械能。

1832年:首款换向器直流电机的发明

1832年,英国物理学家威廉・斯特金(William Sturgeon)就发明了第一台可以提供足够动力来驱动机械的直流电机,但是由于其低功率输出,应用上受到严重限制。

1834年:制造了第一台真正的电机

跟随Sturgeon的脚步,美国佛蒙特州的托马斯・达文波特(Thomas Davenport)于1834年发明了第一台正式的电池供电的电机,从而创造了历史。这是第一台具有足够功率执行任务的电动马达,他的发明被用于为小型印刷机提供动力。1837年,托马斯・达文波特和他的妻子艾米莉・达文波特(Emily Davenport)获得了第一项直流电机专利。

但他们的电机设计仍然与William Sturgeon的设计面临相同的功率和效率问题的困扰。且不幸的是,由于涉及高昂的电池电力成本,Thomas破产了,该机器也无法在商业上使用。

1886年:实用性直流电机的发明

1886年,第一台可以在可变重量下恒速运行的实用直流电机面世。弗兰克・朱利安・斯普拉格(Frank Julian Sprague)是其发明者,正是这种电机为工业应用中的电机的广泛应用提供了催化剂。

Frank Julian Sprague的“实用”马达

值得一提的是,该实用性电机采用无刷形式,即交流式鼠笼式异步电机,它不仅消除了火花、绕组两端的电压损失,可以以恒定速度输送功率。但是,异步电机有许多无法克服的缺陷,以致电机技术发展缓慢。

而在无刷电机诞生不久,人们就发明了直流有刷电机。直流有刷电机因机构简单,生产加工容易,维修方便,容易控制,一经问世便成为了当时的主流。

1887年:交流感应电机获得专利

1887年,尼古拉・特斯拉(Nikola Tesla)发明了交流感应电机,并在一年后成功申请了专利。它不适用于公路车辆,但后来由西屋公司的工程师进行了改装。1892年,设计了第一台实用的感应电机,接着是旋转的条形绕组转子,使该电机适用于汽车应用。

1891年:三相电机的开发

1891年,通用电气开始开发三相感应电机。为了利用绕线转子设计,GE和西屋公司于1896年签署了交叉许可协议。

1955年:直流无刷电机时代开始

1955年,美国d.harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利,正式标志着现代无刷直流电机的诞生。但当时没有电机转子位置检测器件,该电机没有起动能力。

1962年:第一台无刷直流(BLDC)电机的发明

得益于1960年代初期固态技术的进步,1962年,TG Wilson和PH Trickey发明了第一台无刷直流(BLDC)电机,他们称之为“带固态换向的直流电机”。无刷电机的关键要素是它不需要物理换向器,因此成为计算机磁盘驱动器,机器人和飞机的最流行选择。

他们利用了霍尔元件来检测转子位置并控制绕组电流换相,使无刷直流电机达到实用化,但受到晶体管容量的限制,电机功率相对较小。

1970年代至今:无刷直流电机应用快速发展

70年代以来,随着新型功率半导体器件(如GTR、MOSFET、IGBT、IPM)相继出现,计算机控制技术(单片机、DSP、新的控制理论)的快速发展,以及高性能稀土永磁材料(如钐钴、钕铁硼)的问世,无刷直流电机得到快速发展,容量不断增大。

之后,随着1978年mac经典无刷直流电机及其驱动器的推出,以及80年代方波无刷电机和正弦波无刷直流电机的研发,无刷电机真正开始进入实用阶段,并且得到快速发展。

02、BLDC电机基础知识

(1)无刷直流电机的结构

无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器(可有可无)组成。

定子

BLDC电机的定子结构与感应电机相似。它由堆叠的钢叠片组成,并带有轴向切槽以用于缠绕。BLDC中的绕组与传统感应电机的绕组略有不同。

BLDC电机定子

通常,大多数BLDC电机由三个定子绕组组成,这三个定子绕组以星形或“Y”形连接(无中性点)。另外,基于线圈互连,定子绕组进一步分为梯形和正弦电动机。

BLDC电机反电动势

在梯形电动机中,驱动电流和反电动势均呈梯形形状(在正弦电动机的情况下为正弦形)。通常,在汽车和机器人技术(混合动力汽车和机器人手臂)中使用额定48 V(或以下)的电动机。

转子

BLDC电动机的转子部分由永磁体(通常是稀土合金磁体,例如钕(Nd),钐钴(SmCo)和钕铁硼(NdFeB)组成。

根据应用,极数可以在2到8个之间变化,北极(N)和南极(S)交替放置。下图显示了磁极的三种不同布置。

(a):磁体放置在转子的外周上。

(b):称为电磁嵌入式转子,其中矩形永磁体嵌入转子的铁心中。

(c):将磁体插入转子的铁芯中。

BLDC电机转子

由于BLDC电机中没有电刷,因此换向是电子控制的。为了使电机旋转,必须顺序地给定子绕组通电,并且必须知道转子的位置(即转子的北极和南极)才能精确地给一组特定的定子绕组通电。

通常使用霍尔传感器(根据霍尔效应原理工作)的位置传感器来检测转子的位置并将其转换为电信号。大多数BLDC电机使用三个霍尔传感器,这些传感器嵌入到定子中以检测转子的位置。

霍尔传感器的输出将是高电平还是低电平,这取决于转子的北极是南极还是北极附近。通过组合三个传感器的结果,可以确定通电的确切顺序。

(2)无刷直流电机的工作原理

顾名思义,无刷直流电机不使用电刷。无刷直流电机不利用换向器来调节线圈内部的电流,而是使用电子换向器来传递电流,该电流产生交流电信号,从而导致电机驱动。

无刷直流电机的工作原理与有刷直流电机相似。洛伦兹力定律指出,只要载流导体置于磁场中,它就会受到作用力。由于反作用力,磁体将承受相等且相反的力。当线圈中通过电流后,会产生磁场,该磁场被定子的磁极所驱动,同极性相互排斥,异极性相互吸引,如果持续改变线圈中电流的方向的话,那么转子所感应出磁场的磁极也会持续发生变化,那么转子就会在磁场的作用下一直转动。

在BLDC电机中,载流导体(定子)是固定的,而永磁体(转子)是运动的。

BLDC电机运转示意图

当定子线圈从电源获得电源时,它就变成电磁体并开始在气隙中产生均匀的磁场。尽管电源是直流电,但开关仍会产生具有梯形形状的交流电压波形。由于电磁定子和永磁转子之间的相互作用力,转子继续旋转。

通过将绕组切换为高和低信号,相应的绕组被激励为北极和南极。带有南极和北极的永磁转子与定子极对齐,从而导致电机旋转。

一对极和两对极的 BLDC 电机运行动图

无刷直流电机有三种配置:单相,两相和三相。其中,三相BLDC是最常见的一种。

(3)无刷直流电机的驱动方法

无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式,它们各有特点。

按驱动波形:方波驱动,这种驱动方式实现方便,易于实现电机无位置传感器控制;

正弦驱动:这种驱动方式可以改善电机运行效果,使输出力矩均匀,但实现过程相对复杂。同时,这种方法又有SPWM和SVPWM(空间矢量PWM)两种方式,SVPWM的效果好于SPWM。

(4)无刷直流电机的优点与局限性

优点:

高输出功率

小尺寸和重量

散热性好、效率高

运行速度范围宽

低电噪声

低电噪声高可靠性和低维护要求

高动态响应

电磁干扰少

局限性:

控制该电机所需的电子控制器很昂贵

需要复杂的驱动电路

需要额外的位置传感器(FOC不用)

(5)无刷直流电机的应用

无刷直流电机广泛用于各种应用需求,例如工业控制,汽车,航空,自动化系统,医疗保健设备等领域中的各种负载,恒定负载和定位应用。

工业控制领域

近些年,由于无刷直流电机大规模的研发和技术的逐渐成熟,其驱动系统在工业生产中的分布范围也随之扩大,已逐步成为工业用电机的发展主流。围绕降低生产成本和提高运行效率而展开的研究与尝试已取得显著的效益,各大厂商也提供不同型号的电机以满足不同驱动系统的需求。现阶段在纺织、冶金、印刷、自动化生产流水线、数控机床等工业生产方面,无刷直流电机都有涉猎。

汽车领域

除了核心发动机外,在雨刷器、电动车门、汽车空调、电动车窗等部位都有电机的身影。随着汽车工业向着节能环保的方向发展,所使用的电机也必须满足高效率、低能耗的标准。而无刷直流电机的低噪声、寿命长、无火花干扰、方便集中控制等优点完全符合,随着其调速技术的日益成熟,性价比会越来越高,它在汽车电机驱动的各个环节中的应用会更加广泛。

医疗设备领域

在国外,对无刷直流电机的使用已经较为普遍,可以用来驱动人工心脏中的小型血泵;在国内,手术用高速器具的高速离心机、热像仪和测温仪的红外激光调制器都使用了无刷直流电机。

家用电器领域

“变频”技术已非常普遍,作为中国家电的标志逐渐占据了大部分的消费市场,“直流变频”受到生产厂商的青睐,已有逐渐替换掉“交流变频”的转变趋势。这种转变实质上就是家电所用的电机由感应电机向无刷直流电机及其控制器的过渡,以达到节能环保、低噪智能、舒适性高的要求。无刷直流电机的发展方向与电力电子、传感器、控制理论等技术的发展方向相同,它是多种技术相结合的产物,它的发展取决于与之相关的每一种技术的革新与进步。

办公计算机外围设备、电子数码消费品领域

比如在生活中常见的打印机、传真机、复印机、硬盘驱动器、软盘驱动器、电影摄影机等,在它们的主轴和附属运动的带动控制中,都有无刷直流电机的身影。

03、无刷直流电机与有刷直流电机的区别

无刷直流电机与有刷直流电机的结构、控制、性能比较一览表

工作原理的区别:

有刷电机采用机械换向,磁极不动,线圈旋转。有刷电机的主要结构就是定子+转子+电刷,通过旋转磁场获得转动力矩,从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦,在转动中起到导电和换相作用。

无刷电机采取电子换向,线圈不动,磁极旋转。无刷直流电机由电机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。无刷电机通过霍尔元件,感知永磁体磁极的位置,根据这种感知,使用电子线路,适时切换线圈中电流的方向,保证产生正确方向的磁力,来驱动电机。

性能的区别:

有刷直流电机技术更为成熟、起动响应速度更快,起动扭矩更大,运行更平、控制精度更高。直流有刷电机机构简单,生产加工容易,在19世纪便得到了广泛应用,技术发展较为成熟。而无刷直流电机近十几年才慢慢投入商业运营,技术较为不成熟。直流有刷电机起动响应速度快,起动扭矩大,变速平稳,而无刷电机起动电阻大(感抗),起动扭矩相对较小。直流有刷电机输出功率更大,控制精度更高,控制精度可以达到0.01毫米,几乎可以让运动部件停在任何想要的地方。所有精密机床都是采用直流电机控制精度。

无刷直流电机干扰更低、噪音更低、寿命更长、维护成本更低。相对有刷直流电机,无刷直流电机去除了电刷,最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花,这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。无刷电机没有了电刷,运转时摩擦力大大减小,运行顺畅,噪音会低许多,这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。少了电刷,无刷电机的磨损主要是在轴承上了,从机械角度看,无刷电机几乎是一种免维护的电机了,必要的时候,只需做一些除尘维护即可。

调速方式的区别:

实际上两种电机的控制都是调压,只是由于无刷直流采用了电子换向,所以要有数字控制才可以实现了,而有刷直流是通过碳刷换向的,利用可控硅等传统模拟电路都可以控制,比较简单。

04、全球BLDC电机主流制造商(Top 10)

目前BLDC产业内,排名比较靠前的企业有ABB、阿美特克(AEMTEK)、日本电产、美蓓亚集团、德昌电机、联合运动技术公司、保德电子公司、北美电气公司、施耐德电气、及雷勃电气(Regal Beloit Corporation)等。

2021年全球BLDC厂商Top 10;

ABB

ABB凭借130多年的技术创新历史,现已成为电气化产品,工业自动化和电网,机器人技术和运动领域的全球领导者。它为全球的公用事业,工业,运输和基础设施领域的客户提供服务。

阿美特克(AMETEK)

阿美特克(AMETEK)是一家世界级组织,致力于通过独特的技术创新为客户最复杂的挑战提供解决方案。AMETEK的子公司AMETEK Advanced Motion Solutions(AMS)总部位于俄亥俄州肯特,提供直流电机,控制器/驱动器,风扇,泵,精密控制的鼓风机和定制工程线性运动系统。

日本电产

Nidec Motor是日本领先的工业用电机,控制设备,家用电器和消费品制造商。该公司在中国,墨西哥,美国和英国拥有多个生产和销售基地。

美蓓亚集团

美蓓亚集团在1951年创立于日本,主营业务轴承等机械加工零部件事业、精密小型微电机等电子机械设备事业等,是日本第一间微型、细口径滚珠轴承专业生产厂家,以此为基础逐步扩展至机械加工、电子设备加工领域。

德昌电机

德昌电机服务于各种垂直行业和业务超过50年,已成为电机,运动子系统,执行器和相关机电组件的全球领导者。特定于应用程序的知识和技术领先地位是使Johnson Electric成为其行业世界领导者的关键驱动力。该集团提供了当今市场上最大的工程电机和运动系统集,这些系统可以标准化用于量产,也可以个性化以满足战略部门和主要客户的需求。

联合运动技术公司

联合运动技术公司(Allied Motion Technologies)是精密运动控制产品和解决方案的领先制造商,以其在电磁,机械和电子运动技术方面的知识而闻名于世。该公司的增长战略着眼于通过利用其专业知识开发精密运动解决方案,从而在选定的目标市场中成为领导者,该解决方案利用各种Allied Motion技术为客户创造更高价值的解决方案。

保德电子公司

美国保德电子公司于1920年创立,是工业电机,驱动器和机械动力传输产品的领先营销商,设计师和制造商。

2011年,瑞士ABB公司以42亿美元(包括11亿美元的债务)的全现金交易收购了Baldor,Baldor Electric Company作为ABB的美国电机和发电机业务部门,负责工业电机,发电机和机械动力传输产品的市场营销,设计,制造和提供服务。2018年,Baldor Electric Company被合并为ABB,成为ABB汽车和机械公司。

北美电气公司

北美电气公司成立于1993年,致力于制造高性能,高质量的电机。同时也是专用和通用AC电机,控制装置和轴装式减速器的批发供应商。2014年,北美电气开设了NAE电机控制部门,这使该公司能够为其广泛的分销网络提供完整的自动化解决方案。

施耐德电气

施耐德电气是法国一家跨国企业,成立于1836年,全球能效管理和自动化领域的专家。其子公司施耐德电气美国公司是步进电机和电子控制系统创新运动控制解决方案的公认领导者,并且是MDrive®产品线集成电机驱动器的全球领导者。

雷勃电气

Regal Beloit凭借其高效的电机和动力传动系统,在全球能源效率趋势中处于有利地位。该公司在客户需要的地方提供世界一流的产品和服务,在美国几乎所有的变速家用HVAC设备中都使用其Genteq品牌的直流电机,而其Marathon电机,Leeson和GE Commercial电机品牌则在整个工业领域得到广泛使用。

结语:

经过近几十年的高速发展,无刷直流电机在技术上日益成熟,应用领域几乎覆盖所有电机驱动的场景,并展现出优良特性,深受市场欢迎,未来很大可能会取替有刷直流电机在直流电机的主流地位。而华秋商城致力于为用户提供优质的BLDC产品,推动国内BLDC市场发展。

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