無刷直流電動機的性能與在微型真空泵的運用

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

無刷直流電機的發(fā)展和稀土永磁材料及功率電子器件的發(fā)展息息相關。20世紀三十年代，有人開始研制以電子換向取代電刷機械換向的無刷直流電機，但當時，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機械電刷的專利，標志著現(xiàn)代無刷直流電動機的誕生。隨著半導體技術的飛速發(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，從而開創(chuàng)了無刷直流電動機的新紀元。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的永磁材料已在實驗室研制出來。伴隨著高性能永磁材料、微電子技術、自動控制技術和電力電子技術的進步，永磁無刷直流電機得到了迅速發(fā)展。由于克服了機械換向裝置的固有缺點，無刷直流電機具有壽命長、調速性能優(yōu)越，體積小、重量輕、效率高、轉動慣量小、電磁兼容性好等諸多優(yōu)點。

    無刷直流電動機因其電樞繞組驅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，其電樞驅動電流為方波(梯形波)，通常被稱為無刷直流電機(Brushless DC Motor-BLDCM)；另一種是正弦波永磁同步電動機，其電樞驅動電流為正弦波，常稱為無刷同步電機(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，輸出轉矩更大，控制結構更為簡單，使電機和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮。因此，無刷直流電機的應用和研究受到了廣泛的重視，憑其技術優(yōu)勢在許多場合取代了其它種類的電動機。特別是在微特電機領域，在小功率、高轉速的調速領域，無刷直流電機占據(jù)著主要位置。

 直流電動機的調速方法有三種：

1、調節(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，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(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，但是需要大容量可調直流電源。

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

3、改變電樞回路電阻R。在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟；在調速電阻上消耗大量電能。改變電阻調速缺點很多，目前很少采用。

    自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主，必要時把調壓調速和弱磁調速兩種方法配合起來使用。調壓調速的實現(xiàn)需要有專門的可控直流電源。自20世紀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通又能控制其關斷的性能優(yōu)良的全控型器件，由它們構成的脈寬調制（PWM）直流調速系統(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速系統(tǒng)相比，PWM調速系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

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

    2、由于開關頻率高，僅靠電動機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，調速范圍寬，同時電動機的損耗和發(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直流調速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。

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

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

    無刷直流電動機具有高效率、高轉矩、高精度的三高特性,非常適合使用在24小時連續(xù)運轉的機械,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)直流電機的所有優(yōu)點,是當今最理想的調速電機。

    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的應用領域，但是隨著技術的不斷創(chuàng)新，其價格已迅速下降，稀土永磁無刷直流電動機的優(yōu)勢更加顯現(xiàn)，在儀器儀表領域的運用日益廣泛。無刷直流電動機的優(yōu)良調速性能、在調速范圍內恒轉矩運行、低電磁干擾等特性使其很適合作為微型泵的驅動機構。我國微型真空泵行業(yè)領軍企業(yè)成都“氣海”機電公司一直致力于先進技術的研發(fā)，在國內率先推出了配備國際先進無刷直流電機的調速微型泵。氣海公司對無刷直流電機進行了嚴格的測試篩選，電機裝泵通過了24h不停機長時間運轉。對電機進行了極限工況、長時間交變載荷的考驗。電機在不同轉速下轉矩波動很小，能很好滿足泵的要求。最新研發(fā)的調速微型泵，型號眾多，適用面廣，有調速真空泵、調速氣泵（VML、VLC、VLK系列，FML、FAL系列）、調速水泵（WKY、WPY、WNY系列，抽水抽氣兩用），泵的壓力、流量范圍寬而且調節(jié)方便。具有長壽命、低干擾、能輸出電機轉速反饋信號（FG)等優(yōu)點。