动力与电气工程!!兰!兰垒:!曼!12:!!:!童墨拦量盥雹圆永磁无刷直流电机的应用和发展王勇(上海航天控制工程研究所上海200233摘要:本文介绍了永磁无刷直流电机的结构和原理,并介绍了电机本体、开关控制线路和位王传感器的应用,最后指出了永磁无刷直流电机的发展趋势。关键词:永磁无刷直流电机转子j呙流:TM3文献标识码:A:1672—379l(20081o(a一0127—02无刷直流电机(简称BLDcM,由于利用电子换相器取代了传统的机械电刷和机械换相器,因此结构简单、无机械摩损、运行可靠。同时还具有调速精度高、高效率、高启动转矩等优点,因此被广泛应用【11。伴随着永磁材料的高速发展,它的矫顽力高、剩磁大、磁能积高等优点,可以极大地减小无刷直流电机的本体体积和重量,因此永磁材料与无刷直流电机的有机结合便诞生了永磁无刷直流电机。永磁无刷直流电机广泛应用于计算机外围设备(如硬盘、软盘和光盘存储器、家电产品、医疗器械和电动车上,目前无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢,并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。1电机的基本结构及原理永磁无刷直流电机主要包括电机本体、开关控制线路和位置传感器,其原理框图如图1所示。直流电源通过开关控制线路向电机定子绕组供电,可以单相也可以多相供电。位置传感器检测转子所处的位置,并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止,从而控制定子绕组的通断电,实现电子换相。图2所示为永磁无刷直流电机的一种基本结构,其主要由轴承、转轴、转子、磁钢、定子和位置传感器组成。转子与转轴通过过盈配合或螺钉联接,紧密联接在一起,转子材料多为磁导率较高的软磁合金,矫顽力小,磁势低。磁钢采用永磁体,通常采用扇形瓦片状的结构,充磁方向可为径向或切向,一般径向提供的气隙磁通更大一些。磁钢的内圆表面与转子的外圆表面靠磁吸力紧密吸合,并在接合面上涂以适当的粘接剂,用以保证转子和磁钢的联接强度可靠;定子绕组紧密缠绕在铁芯叠片上,铁芯叠片由厚度很薄的若于片压制而成,彼此之间有绝缘层,可以有效减少涡流损耗。在永磁无刷直流电机的磁场中,磁钢都采用永磁体作为激励磁源,取代传统的励磁线圈,可以产生稳定的永磁场。永磁场包括主磁场和漏磁场,漏磁场为磁能损耗的磁场,不对外做功;主磁场是做功的磁场,一般由磁钢、转子和气隙产生。在气隙中的磁路磁阻较大,为线性磁路,也是切割定子绕组做功的磁路。通过磁场切割定子绕组,带动转子旋转,从而将电能转化为机械能。2电机主要部分的应用2.1电机本体定子与转子构成了电机本体的主要部分,目前主要有两种基本结构:内转子、外定子的结构和外定子、内转子的结构。在前者的结构中,转子为运动件,通过一定联接方式联接在转轴上,定子为静止件,通过两者的相对运动,完成磁能向机械能的转变。后者结构是定子作为转动件,联接在转轴上,随之一起转动。转子和磁钢作为静止件,固定在电机机架上。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。在传统的直流无刷电机中,定子通常采用铁芯叠片结构,铁芯由多层薄钢片叠压后紧固而成,以此来嵌放定子绕组,并作为主磁路的一部分。这种结构既增加了电机的重量,又不能根本消除涡流,产生了铁损。目前越来越多地使用空心杯定子,即定子座采用非金属材料,取代传统的铁芯,定子绕组嵌绕在定子座上,并通过环氧树脂浇注在定子座上。由于没有铁芯,减小了铁芯外形的齿槽效应转矩,磁通量通过铁芯产生的涡流也不存在了,提高了电气效率。2.2位置传感器位置传感器的作用主要是通过测定转子磁钢的位置,来提供电机的换相信号,并可以完成测速。无刷直流电机常用的位置传感器有三类:电磁式位置传感器、光电式位置传感器和霍尔式置传感器。2.2.1电磁式位置传感器【2】电磁式位置传感器是利用电磁效应来图1永磁直流无刷电机的基本框图实现其位置测量作用的。它一般由定子和跟踪转子组成,转子是一个用非导磁材料(诸如铜或铝等制成的圆盘,并在其上镶嵌扇形的导磁材料。安装时转子与电机转轴同轴联接,并对应于某一个磁极。定子是由高频导磁的材料制成,分成若干极,并绕有线圈。当转子处在一定的位置时,电机绕组线圈所产生的磁通通过转子上的导磁材料耦合到定子...