電機基本知識講座之三

永磁無刷電機
1. 技術進步推動永磁無刷電機的發展
面向21世紀，為滿足與地球環境共存、與網絡結合、符合機器人要求的微特電機將得到快速發展，并將構筑起“微特電機的新時代”。與地球環境共存，要求電機高效節能、高出力省材料、靜音舒適、無害無污染等。與網絡結合，要求電機小型化、片狀化、高速化、輕量化、高精度、高性能等。滿足機器人用電機，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，國外微特電機制造公司，十分重視永磁無刷電機和驅動控制技術的研究、開發。電機進行優化設計，合理選擇參數，減少力矩脈動和噪音，擴大調速范圍；多極集中繞組，減少繞組端部長度，拼塊式或鉸鏈式電樞沖片提高糟滿率，高效率高性能驅動控制技術的研究，高性能永磁材料的采用，使永磁無刷電機具有高效節能、高出力省材料、高可靠高性能、體積小重量輕等優點。
2. 市場拉動加速永磁無刷電機的發展
1) 網絡領域使用的微特電機數量約占整個微特電機的38%，HDD主軸電機、打印機主軸電機、復印機主軸電機、計算機風機、高檔DVD主軸電機都是采用永磁無刷電機。而且是精密永磁無刷電機，由于精度要求高，均采用粘結釹鐵硼，日本83%的粘結釹鐵硼用于該類永磁無刷電機；整片電樞沖片，多極集中繞組，外轉子結構。手機用的振動電機，不論是圓柱形還是鈕扣式，振動電機絕大部分還是采用有刷直流電機，但也有無刷振動電機，目前沒有得到廣泛使用。
2) 家電領域使用的電機約占整個微特電機的15%。空調器、洗衣機、電冰箱等主要家電最早使用單相異步電動機，由于其效率低、利用率低，為了節能，上世紀90年代初采用變頻調速異步電動機，目前日本90%以上的空調器采用永磁無刷直流電機，替代異步電動機變頻調速，我國空調器制造廠也開始采用永磁無刷直流電機，以獲得更好的節能效果和節省材料。在相同的額定功率和額定轉速下，設單相異步電動機的體積和重量為100%，則永磁無刷直流電動機的體積為 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，電機永磁體采用燒結釹鐵硼，電樞沖片采用拼塊式或鉸鏈式，多極集中繞組，根據用戶使用要求電機可做成外轉子或內轉子結構。空調器、洗衣機、電冰箱等為主的家電將越來越多采用永磁無刷電機是發展趨勢。中國風電材料設備網
3) 電動車領域使用驅動電機情況，2004年我國共生產電動自行車675.71萬輛，同比增長69.05%，其驅動電機大部分采用有刷直流電機，但由于直流有刷電機固有的缺點，壽命短，維修難，隨著永磁無刷直流電機價格下降，控制器可靠性提高，采用永磁無刷電機越來越多。能源緊張，環境污染日益加強，電動汽車顯示強勁的生命力，被汽車生產廠和消費者看好，有資料顯示，到2010年，電動汽車將占全球汽車需求量的四分之一，總量將達到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汽車作為發展方向，我國也高度重視，被科技部列為“十五”期間國家重大攻關項目，也是“十一五” 規劃中發展綠色交通的重要內容之一。電動汽車驅動電機有有刷直流電機、變頻異步電機和永磁無刷電機，但趨向是永磁無刷電機，尤其是日本汽車制造商都采用永磁無刷電機。汽車電動助力轉向系統中的驅動電機有有刷直流電機和永磁無刷電機，但趨向也是永磁無刷電機。凡是電動車中涉及安全等重要系統中用的電機采用永磁無刷電機替代有刷直流電機將是一個趨勢。電機永磁體采用燒結釹鐵硼，繞組形式有集中繞組和分布繞組兩種，電機結構有外轉子和內轉子兩種。至于汽車中用的一般電機目前仍然是有刷直流電機為主，自動車用的微特電機約占整個微特電機的17%。
4) 電梯采用永磁無刷同步電機伺服控制系統后，不僅具有體積小、節能、控制性能好，又容易實現減速直接驅動消除齒輪減速裝置，低噪聲、平層精度和舒適性都優于以前的有刷直流電機調速和異步電機變頻調速。適合在無機房電梯中使用，因此永磁無刷同步電機驅動得到各大電梯公司的青睞。
5) 高速高精度加工機床的進給驅動，目前主要還是用傳統的旋轉伺服電機加精密高速滾珠絲桿結構，上世紀90年代初開始，應用直線電機直接驅動，由于其與傳統結構相比，有一系列的優點，速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍。當然直線電機直接驅動也存在一些缺點和問題，如控制難度大、磁干擾、成本較高等，但是總的趨勢直線電機驅動占比重會越來越大，很有可能將來成為機床進給驅動的主體。由于永磁無刷同步式直線伺服電機效率高，推力密度大，可控性好等優點，盡管其對隔磁防塵要求高和裝配較困難，但現在已成為機床用直線電機的主流。
6) 其他領域包括武裝裝備、機器人、宇航等微特電機。這些使用領域選用各類電機，品種規格繁多，如美國軍用微特電機有5000多個品種，年生產量只有300萬臺。隨著機器人、宇航事業的發展，對微特電機的需求量將增加，要求也提高。這些領域的伺服驅動類電機也向永磁無刷電機發展，如美國研制和生產軍用、宇航用微特電機骨干單位科爾摩根公司，有兩個永磁交流伺服電動機系列，M系列有5個機座號，47個品種，功率從0.54～15.7kW，轉速從 900～1200r/min，連續轉矩從0.89～115N·m，峰值轉矩2.41～326.8N·m；MT系列有4個機座號，24個品種，功率從 0.231～6.7kW，轉速從1500～6000r/min，連續轉矩從0.44～46.8N·m，峰值轉矩從1.25～115.4N·m。MT系列產品比M系列產品體積更小，效率更高，轉動慣量更小，接線插頭可旋轉，進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的要求，廣泛用于雷達、宇航等領域。美國已將永磁無刷電機用于裝甲車作為驅動源，代替有刷直流電機，提高了裝甲車性能。德國西門子公司和芬蘭ABB公司生產的額定功率3820kW，額定電壓2800V，額定轉速135r/min的電機使用在豪華游輪、破冰船、工程船等吊艙式推進器，現正在推廣到潛艇，替代有刷直流電動機，提高潛艇性能。