北京永光高特微電機有限公司
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無刷直流電動機的發展現狀和質量特點

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4730


    摘要:綜述了無刷直流電動機的發展及現狀,總結了這類電機的技術特征及應用領域。就其質量問題進行了詳細分析及探討,并提出了無刷直流電動機的發展對策。

l引言

    無刷直流電動機是隨著電子技術發展而出現的機電一體化電機,是現代電子技術、控制理論和電機技術相結合的產物。無刷直流電動機采用霍爾元件等作位置傳感器,代替有刷直流電機的換向器和電刷部分,以電子換向取代機械換向,同時具有有刷直流電機的外部特性。普通直流電機通過電刷進行機械換向,換向時產生電磁干擾,噪聲大,電刷的損耗也造成電機的可靠性差,為了克服機械換向帶來的缺點,無刷直流電動機應運而生。

    國外對無刷直流電動機的研究較早,在20世紀80年代初就已經開始正式生產和應用了。20多年以來,隨著永磁新材料、微電子技術、自動控制技術以及電力電子技術的進步,無刷直流電動機得到了很大的發展。國內在這方面起步稍晚,但最近已逐漸與國際水平縮小了技術差距,生產和應用規模也快速增長。

2發展現狀

    2005年全球微特電機產量為80多億臺,其中我國(包括臺灣、香港地區)總產量高達全球的70%,并以每年5%的速度增長。微特電機日益成為廣泛應用于自動化、家電、電子信息產業、航空航天和現代軍事裝備等領域的重要基礎元件,數量和品種發展很快,其中尤以無刷直流電動機的增長最為迅速,近年來正在以每年大約15%的比例增加。

    無刷直流電動機是電機技術和電子技術結合的機電一體化新型微電機。無刷電動機的主要特征是具有與普通有刷直流電動機相似的機械特性,以及以電子換向電路代替機械換向結構。它除了具有調速范圍寬、起動力矩大、效率高等優點以外,還具有如下特點:

    (1)與電子技術相結合,采用電子驅動控制器實現電子換向代替機械接觸換向,沒有電刷和換向器的電氣接觸火花和磨損,電磁干擾小,可工作于高速,電機運行穩定,壽命長,工作可靠性高。

    (2)電機結構上,定子為電樞繞組,定子繞組與機殼相接觸,散熱面積大,散熱效果好。永磁材料作轉子,無通電繞組,幾乎無損耗和發熱,效率高。

    (3)電子線路部分與電機本體分開,實現對電動機的良好控制。如可以不改變電源總線電壓,通過改變邏輯信號順序,實現電機的正/反轉,通過改變邏輯部分PWM的占空比,實現電機的調速控制;通過位置傳感器可實現速度閉環,使電動機在一定速度下穩定運行。

    (4)可工作于高真空、有腐蝕性氣體介質和液體介質等特殊環境中,例如宇航設備。

    (5)與數字化技術、現代控制理論結合,有較好的可控性,調速范圍寬,使電機向智能化方向發展。

    無刷直流電動機正在高性能的應用領域內逐步取代其它類型電機,占據主導地位是一個不可逆轉的趨勢。

    宇航和軍事裝備領域屬于高科技產業,技術含量高。在航空航天領域,由于高真空,無刷直流電動機的優勢是最明顯的。如宇宙飛船中用的各種泵,使用了許多的無刷直流電動機。隨著現代軍事裝備的發展,對軍用微特電機提出高性能、高精度、高可靠性和輕型化的嚴格要求,同時提出耐惡劣環境的要求,如高低溫、高空、振動沖擊和三防等特殊要求。這使無刷直流電動機的優勢得到了充分的發揮,據估算,軍用微特電機約占微特電機總產量的5%左右,這其中無刷直流電動機占了很大的比重。

    作為新型機電一體化產品,無刷直流電動機其鮮明的技術特征得到家電業界的廣泛認同,無刷直流電動機在較大的轉速范圍內可以獲得較高的效率,更適合家電的需要,因此其應用面不斷擴大。用量也大幅提高,甚至是數以億臺計。

    目前我國變頻家用電器正在由“交流變頻”向“直流變頻”轉變,從單相異步電機供電,現已被無刷直流電動機及其控制器所取代。由于可以獲得更好的節能效果和節省材料,目前日本90%以上的空調器采用無刷直流電動機替代異步電機變頻調速,我國近幾年變頻空調也發展迅速,無刷直流電動機的應用增長迅速。在洗衣機中通過采用無刷直流電動機及其控制技術,實現了平穩起動、加速和減速剎車,洗滌脫水無級變速,使洗滌速度和節拍可同時改變,取得了高洗滌、低磨損、免纏繞的理想效果,且與普通洗衣機相比噪聲也大大降低。

    在電動車輛及工業自動化控制領域,小型寬范圍調速及伺服驅動領域也大量采用了無刷直流電動機,從而達到降溫、減噪、提高效率的目的。特別是電子元器件技術和工藝的提高,使無刷直流電動機成為一種十分理想的驅動源,應用量逐年增多。

    計算機用主軸電機采用的也是無刷直流電動機,而且信息電子產品中無刷直流電動機的應用也越來越多,機器人控制裝置已成為無刷直流電動機的主要應用領域之一。這些領域和產業的的迅猛發展和需求,大大開拓了無刷直流電動機的市場。

    據預測,“十一五”期間,隨著控制技術的進步,無刷直流電動機的使用領域會不斷拓寬,功率等級也會越來越大。技術發展朝高性能、高可靠性、高精度、無刷化、永磁化、機電一體化方向發展。

3質量特點

    由于無刷直流電動機需要電子驅動線路與電機一起組成系統才能工作,技術相對復雜,因而對生產企業的要求相對較高。而無刷直流電動機在整機系統中所起的作用往往十分關鍵,其產品的好壞會直接影響到系統的質量水平,因此無刷直流電動機的產品質量非常重要。

    近幾年國內生產無刷直流電動機的企業增長很快,產品的類型種類和產量也大幅度提高。根據每年微特電機產品國家季度監督抽查結果綜合地分析,無刷直流電動機產品質量有以下幾個特點:   

    (1)產品整體質量穩定在較高水平   

    近幾年,國外知名企業進入中國市場速度非???。這些外資企業非常重視無刷直流電動機的開發和生產,強化以高新技術為主要競爭手段。他們正積極開發各類無刷直流電動機,月產量一般都達到數百萬臺。國內有實力的大中型企業也意識到無刷直流電動機已經成為當前微特電機的主要發展方向,投入大量的資金和技術進行無刷直流電動機產品的研發和生產,產量也日益增大。   

    雖然目前國內的無刷直流電動機企業較多,但產量分布大部分集中在這些外資企業和國營大中型企業,由于它們強大的技術實力和生產管理能力,產品的質量水平相當穩定,從而使無刷直流電動機產品整體的質量穩定在較高水平。   

    但同時我們也應看到許多小型企業,自身的技術水平不高,他們生產的無刷直流電動機產品質量還不穩定,是需要重點管理和提高的。   

    (2)電子控制線路是無刷直流電動機的質量問

題的主要因素   

    無刷直流電動機的電機部分繞組在定子上,轉子采用永磁體勵磁,無通電繞組,這種結構有利于生產加工,技術要求相對較低,在原材料質量穩定的基礎上,電機部分的質量容易控制。而與之對應,電子驅動線路的技術含量較高,它的輸出直接控制電機的運行,因此控制線路的質量決定了無刷直流電動機的質量。   

    電子驅動線路國內產品的性能質量與國外水平相差甚遠,高性能的變頻器技術基本上掌握在外國人手里。對于有實力的企業,無刷直流電動機的電機部分和電子驅動線路都是自己生產,其質量水平易于控制。而對一些實力不足的企業,它的電子驅動線路是外部采購的。由于電子換向電路的成本高于機械換向器,因而使無刷直流電動機的成本及售價增高,一些企業往往為了降低成本而選購質次價低的電子驅動線路產品,從而造成無刷直流電動機的整機質量下降。   

    (3)國內企業產品性能的穩定性和可靠性等指標與國外產品差距較大   

    目前,我國多數的企業已經具備較強的生產能力,但與國外相比,有實力的企業尚不多見,特別是技術水平仍然不高。究其原因是科研投入少,且效率低,技術力量分散。   

    目前國內企業產品不盡如意的主要表現是:產品的技術標準較低,穩定性和可靠性差,產品壽命指標等與國外同類型產品的差距較大。有些獨資企業的產品雖屬中高檔水平,但研發機構均設在本國,技術含量高的高速精密無刷主軸電機等產品很多尚未在我國生產。我國使用的精密永磁交流伺服驅動控制系統絕大部分依賴進口,據不完全統計,每年進口費用需2億美元左右,這已經阻礙了永磁無刷直流電動機在我國的應用發展。

    (4)關鍵材料和零部件也是影響產品質量的重

    無刷直流電動機的一些關鍵材料和零部件也會對產品的性能和壽命產生較大的影響。如轉子采用的永磁材料,其性能的好壞直接影響電機的特性;又如電機中的軸承,由于沒有了電刷,電機工作的時限主要決定于軸承及潤滑。這些關鍵材料和零部件的選用必須把好質量關,不能片面追求經濟效益而選用劣質材料和零部件。

4發展對策

    針對以上無刷直流電動機的質量特點,國內的生產企業應該從以下幾方面著手:

    (1)企業要加強電機應用技術的科研工作,培養自己的技術骨干,大力提升自身的技術實力。

    (2)應該建立完善的生產管理流程和質量控制體系,把好原材料關。

    (3)一些有實力的電機廠不應固守傳統,只生產電機本體,而應盡量將電機與控制器結合起來一同生產,從而使控制器與電機本體能更好的匹配,提高效率,節省能源。

    (4)低檔次產品使得企業之間的競爭更趨激烈,要與研究所、大學等科研機構加強聯系,實行找尋適合自己的高科技附加值的產品,加快科技成果的轉化和商品化工作。

    (5)依托行業協會,加強同國內外同行的技術交流與合作,緊跟新技術。

    (6)采用新材料、新工藝,提高電機性能。

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