電機(jī)基本知識(shí)講座之三

永磁無刷電機(jī)
1. 技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)永磁無刷電機(jī)的發(fā)展
面向21世紀(jì)，為滿足與地球環(huán)境共存、與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合、符合機(jī)器人要求的微特電機(jī)將得到快速發(fā)展，并將構(gòu)筑起“微特電機(jī)的新時(shí)代”。與地球環(huán)境共存，要求電機(jī)高效節(jié)能、高出力省材料、靜音舒適、無害無污染等。與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，要求電機(jī)小型化、片狀化、高速化、輕量化、高精度、高性能等。滿足機(jī)器人用電機(jī)，要求高出力、低慣量、低速大力矩、智能化等，為了滿足上述要求，國外微特電機(jī)制造公司，十分重視永磁無刷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究、開發(fā)。電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇參數(shù)，減少力矩脈動(dòng)和噪音，擴(kuò)大調(diào)速范圍；多極集中繞組，減少繞組端部長度，拼塊式或鉸鏈?zhǔn)诫姌袥_片提高糟滿率，高效率高性能驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究，高性能永磁材料的采用，使永磁無刷電機(jī)具有高效節(jié)能、高出力省材料、高可靠高性能、體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
2. 市場(chǎng)拉動(dòng)加速永磁無刷電機(jī)的發(fā)展
1) 網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域使用的微特電機(jī)數(shù)量約占整個(gè)微特電機(jī)的38%，HDD主軸電機(jī)、打印機(jī)主軸電機(jī)、復(fù)印機(jī)主軸電機(jī)、計(jì)算機(jī)風(fēng)機(jī)、高檔DVD主軸電機(jī)都是采用永磁無刷電機(jī)。而且是精密永磁無刷電機(jī)，由于精度要求高，均采用粘結(jié)釹鐵硼，日本83%的粘結(jié)釹鐵硼用于該類永磁無刷電機(jī)；整片電樞沖片，多極集中繞組，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。手機(jī)用的振動(dòng)電機(jī)，不論是圓柱形還是鈕扣式，振動(dòng)電機(jī)絕大部分還是采用有刷直流電機(jī)，但也有無刷振動(dòng)電機(jī)，目前沒有得到廣泛使用。
2) 家電領(lǐng)域使用的電機(jī)約占整個(gè)微特電機(jī)的15%。空調(diào)器、洗衣機(jī)、電冰箱等主要家電最早使用單相異步電動(dòng)機(jī)，由于其效率低、利用率低，為了節(jié)能，上世紀(jì)90年代初采用變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，目前日本90%以上的空調(diào)器采用永磁無刷直流電機(jī)，替代異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，我國空調(diào)器制造廠也開始采用永磁無刷直流電機(jī)，以獲得更好的節(jié)能效果和節(jié)省材料。在相同的額定功率和額定轉(zhuǎn)速下，設(shè)單相異步電動(dòng)機(jī)的體積和重量為100%，則永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的體積為 38%，重量為34.8%，用銅量為20.9%，用鐵量為36.5%，效率提高10%以上。為了盡可能提高效率，電機(jī)永磁體采用燒結(jié)釹鐵硼，電樞沖片采用拼塊式或鉸鏈?zhǔn)剑鄻O集中繞組，根據(jù)用戶使用要求電機(jī)可做成外轉(zhuǎn)子或內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。空調(diào)器、洗衣機(jī)、電冰箱等為主的家電將越來越多采用永磁無刷電機(jī)是發(fā)展趨勢(shì)。中國風(fēng)電材料設(shè)備網(wǎng)
3) 電動(dòng)車領(lǐng)域使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)情況，2004年我國共生產(chǎn)電動(dòng)自行車675.71萬輛，同比增長69.05%，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)大部分采用有刷直流電機(jī)，但由于直流有刷電機(jī)固有的缺點(diǎn)，壽命短，維修難，隨著永磁無刷直流電機(jī)價(jià)格下降，控制器可靠性提高，采用永磁無刷電機(jī)越來越多。能源緊張，環(huán)境污染日益加強(qiáng)，電動(dòng)汽車顯示強(qiáng)勁的生命力，被汽車生產(chǎn)廠和消費(fèi)者看好，有資料顯示，到2010年，電動(dòng)汽車將占全球汽車需求量的四分之一，總量將達(dá)到2000萬輛，美國通用、日本豐田、法國雪鐵龍等大汽車公司都將電動(dòng)汽車作為發(fā)展方向，我國也高度重視，被科技部列為“十五”期間國家重大攻關(guān)項(xiàng)目，也是“十一五” 規(guī)劃中發(fā)展綠色交通的重要內(nèi)容之一。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)有有刷直流電機(jī)、變頻異步電機(jī)和永磁無刷電機(jī)，但趨向是永磁無刷電機(jī)，尤其是日本汽車制造商都采用永磁無刷電機(jī)。汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有有刷直流電機(jī)和永磁無刷電機(jī)，但趨向也是永磁無刷電機(jī)。凡是電動(dòng)車中涉及安全等重要系統(tǒng)中用的電機(jī)采用永磁無刷電機(jī)替代有刷直流電機(jī)將是一個(gè)趨勢(shì)。電機(jī)永磁體采用燒結(jié)釹鐵硼，繞組形式有集中繞組和分布繞組兩種，電機(jī)結(jié)構(gòu)有外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子兩種。至于汽車中用的一般電機(jī)目前仍然是有刷直流電機(jī)為主，自動(dòng)車用的微特電機(jī)約占整個(gè)微特電機(jī)的17%。
4) 電梯采用永磁無刷同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)后，不僅具有體積小、節(jié)能、控制性能好，又容易實(shí)現(xiàn)減速直接驅(qū)動(dòng)消除齒輪減速裝置，低噪聲、平層精度和舒適性都優(yōu)于以前的有刷直流電機(jī)調(diào)速和異步電機(jī)變頻調(diào)速。適合在無機(jī)房電梯中使用，因此永磁無刷同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)得到各大電梯公司的青睞。
5) 高速高精度加工機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，目前主要還是用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加精密高速滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，上世紀(jì)90年代初開始，應(yīng)用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由于其與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，有一系列的優(yōu)點(diǎn)，速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達(dá)10g，剛度提高7倍。當(dāng)然直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)也存在一些缺點(diǎn)和問題，如控制難度大、磁干擾、成本較高等，但是總的趨勢(shì)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)占比重會(huì)越來越大，很有可能將來成為機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的主體。由于永磁無刷同步式直線伺服電機(jī)效率高，推力密度大，可控性好等優(yōu)點(diǎn)，盡管其對(duì)隔磁防塵要求高和裝配較困難，但現(xiàn)在已成為機(jī)床用直線電機(jī)的主流。
6) 其他領(lǐng)域包括武裝裝備、機(jī)器人、宇航等微特電機(jī)。這些使用領(lǐng)域選用各類電機(jī)，品種規(guī)格繁多，如美國軍用微特電機(jī)有5000多個(gè)品種，年生產(chǎn)量只有300萬臺(tái)。隨著機(jī)器人、宇航事業(yè)的發(fā)展，對(duì)微特電機(jī)的需求量將增加，要求也提高。這些領(lǐng)域的伺服驅(qū)動(dòng)類電機(jī)也向永磁無刷電機(jī)發(fā)展，如美國研制和生產(chǎn)軍用、宇航用微特電機(jī)骨干單位科爾摩根公司，有兩個(gè)永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)系列，M系列有5個(gè)機(jī)座號(hào)，47個(gè)品種，功率從0.54～15.7kW，轉(zhuǎn)速從 900～1200r/min，連續(xù)轉(zhuǎn)矩從0.89～115N·m，峰值轉(zhuǎn)矩2.41～326.8N·m；MT系列有4個(gè)機(jī)座號(hào)，24個(gè)品種，功率從 0.231～6.7kW，轉(zhuǎn)速從1500～6000r/min，連續(xù)轉(zhuǎn)矩從0.44～46.8N·m，峰值轉(zhuǎn)矩從1.25～115.4N·m。MT系列產(chǎn)品比M系列產(chǎn)品體積更小，效率更高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小，接線插頭可旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提高武器裝備的快速性、小型化、可靠性和可維性，滿足武品裝備伺服控制系統(tǒng)的要求，廣泛用于雷達(dá)、宇航等領(lǐng)域。美國已將永磁無刷電機(jī)用于裝甲車作為驅(qū)動(dòng)源，代替有刷直流電機(jī)，提高了裝甲車性能。德國西門子公司和芬蘭ABB公司生產(chǎn)的額定功率3820kW，額定電壓2800V，額定轉(zhuǎn)速135r/min的電機(jī)使用在豪華游輪、破冰船、工程船等吊艙式推進(jìn)器，現(xiàn)正在推廣到潛艇，替代有刷直流電動(dòng)機(jī)，提高潛艇性能。