無刷直流電動機(jī)的性能與在微型真空泵的運(yùn)用

    (ZX20120525)有刷永磁直流電動機(jī)以其效率高、單位體積輸出功率大，而得到廣泛的應(yīng)用。但是這類電機(jī)有一個最大的缺點(diǎn)，就是需要電刷和換向器。永磁直流驅(qū)動電動機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在電動機(jī)的壽命期內(nèi)可以更換兩次電刷。電刷實(shí)際上限制了電動機(jī)的壽命。電刷和換向器之間的機(jī)械摩擦帶來了火花、噪聲、無線電干擾等弱點(diǎn)，再加上制造成本高等缺點(diǎn)，大大限制了直流調(diào)速的發(fā)展和應(yīng)用范圍。為了取代有刷直流電動機(jī)這種電刷－換向器結(jié)構(gòu)的機(jī)械接觸裝置，人們對此進(jìn)行了長期的探索。

無刷直流電機(jī)的發(fā)展和稀土永磁材料及功率電子器件的發(fā)展息息相關(guān)。20世紀(jì)三十年代，有人開始研制以電子換向取代電刷機(jī)械換向的無刷直流電機(jī)，但當(dāng)時，由于受到元器件的限制，沒有發(fā)展起來。1955年美國的D.哈里森(Harrison)等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電動機(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動機(jī)的誕生。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對1876年美國人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過多年努力，終于在1962年試制成功了借助霍爾元件換流的無刷直流電動機(jī)，從而開創(chuàng)了無刷直流電動機(jī)的新紀(jì)元。從60年代末的第一代稀土永磁材料（1：5型稀土永磁）到1983年和第三代稀土永磁材料（釹鋏硼永磁材料）僅僅用了10多年時間。不久前，50MGO的永磁材料已在實(shí)驗(yàn)室研制出來。伴隨著高性能永磁材料、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，永磁無刷直流電機(jī)得到了迅速發(fā)展。由于克服了機(jī)械換向裝置的固有缺點(diǎn)，無刷直流電機(jī)具有壽命長、調(diào)速性能優(yōu)越，體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小、電磁兼容性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。

    無刷直流電動機(jī)因其電樞繞組驅(qū)動電流形狀的不同而分為兩種類型：一種是方波永磁同步電動機(jī)，其電樞驅(qū)動電流為方波(梯形波)，通常被稱為無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor-BLDCM)；另一種是正弦波永磁同步電動機(jī)，其電樞驅(qū)動電流為正弦波，常稱為無刷同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor-PMSM)。與PMSM相比，BLDCM具有明顯的優(yōu)越性，反饋裝置更簡單，功率密度更高，輸出轉(zhuǎn)矩更大，控制結(jié)構(gòu)更為簡單，使電機(jī)和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮。因此，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用和研究受到了廣泛的重視，憑其技術(shù)優(yōu)勢在許多場合取代了其它種類的電動機(jī)。特別是在微特電機(jī)領(lǐng)域，在小功率、高轉(zhuǎn)速的調(diào)速領(lǐng)域，無刷直流電機(jī)占據(jù)著主要位置。

 直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：

1、調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。電樞電流變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。

2、改變電動機(jī)主磁通φ。改變磁通可以以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速、屬恒功率調(diào)速方法。電樞電流變化時遇到的時間常數(shù)要大很多，響應(yīng)速度較慢．但所需電源容量小。

3、改變電樞回路電阻R。在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用。

    自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用。調(diào)壓調(diào)速的實(shí)現(xiàn)需要有專門的可控直流電源。自20世紀(jì)70年代以來，電力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)出多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的性能優(yōu)良的全控型器件，由它們構(gòu)成的脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)近年來在中小功率直流傳動中得到了迅猛的發(fā)展，與老式的可控直流電源調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

    1、采用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。

    2、由于開關(guān)頻率高，僅靠電動機(jī)電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。

    3、PWM系統(tǒng)中，主電路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對交流電網(wǎng)的影響小，沒有晶閘管整流器對電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高。

    4、主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便。

    目前，受到器件容量的限制，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。

    無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低。當(dāng)Vc設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓變小，調(diào)制波的占空比就會變大，電樞電流變大，使電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時，占空比減小，電樞電流減小，發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，無刷直流電動機(jī)在允許的電網(wǎng)波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。轉(zhuǎn)速不受電壓與負(fù)載變動的影響.

    由于無刷直流電動機(jī)的勵磁來源于永磁體，沒有激磁損耗的問題,由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，綜合效率比同容量異步電動機(jī)高出10~20%左右(依據(jù)功率大小而定)。

    無刷直流電動機(jī)具有高效率、高轉(zhuǎn)矩、高精度的三高特性,非常適合使用在24小時連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械,同時具有體積小,重量輕,可作成各種體積形狀,產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。

    過去，由于稀土永磁體價格比較高等因素，限制了稀土永磁無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其價格已迅速下降，稀土永磁無刷直流電動機(jī)的優(yōu)勢更加顯現(xiàn)，在儀器儀表領(lǐng)域的運(yùn)用日益廣泛。無刷直流電動機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能、在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行、低電磁干擾等特性使其很適合作為微型泵的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。我國微型真空泵行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)成都“氣海”機(jī)電公司一直致力于先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，在國內(nèi)率先推出了配備國際先進(jìn)無刷直流電機(jī)的調(diào)速微型泵。氣海公司對無刷直流電機(jī)進(jìn)行了嚴(yán)格的測試篩選，電機(jī)裝泵通過了24h不停機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)。對電機(jī)進(jìn)行了極限工況、長時間交變載荷的考驗(yàn)。電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩波動很小，能很好滿足泵的要求。最新研發(fā)的調(diào)速微型泵，型號眾多，適用面廣，有調(diào)速真空泵、調(diào)速氣泵（VML、VLC、VLK系列，FML、FAL系列）、調(diào)速水泵（WKY、WPY、WNY系列，抽水抽氣兩用），泵的壓力、流量范圍寬而且調(diào)節(jié)方便。具有長壽命、低干擾、能輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號（FG)等優(yōu)點(diǎn)。