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无刷直流电动机技术发展动向

   
    发布日期：2013-08-05         
阅读：92     
 
 
综观近年世界无刷直流电动机技术发展，呈现下列发展动向：
一、 产品向专用化、多样化方向发展
     几乎所有的无刷电动机产品都是为特定用途设计制造的。试图生产一种通用系列无刷电动机来适应千变万化的市场需求，是不可能的。各公司设计制造各种特殊结构、特定用途的无刷直流电动机，在设计、结构和工艺新技术方面不断的革新，以适应不同整机市场的需求。
     例如：适应不同性能参数永磁材料，瓦型、环型表面粘接结构和各种不同设计嵌入式内磁体结构等新的转子磁路结构出现。出现各种外转子、轴向气隙（平面电机）、无齿槽结构电机、直线式无刷直流电动机等。
     无论是采用铁氧体永磁或稀土永磁的永磁无刷直流电动机，常见的永磁转子结构是表面粘贴式（SPM）。近年，日本各知名家电厂商在新一代变频空调压缩机的永磁无刷直流电动机中，分别采用了各自的专利转子结构，嵌入式永磁（IPM）转子结构已成为主流。IPM转子结构的电动机可得到较高的效率，增强转子抗高速离心力能力。
二、通过结构和工艺革新，以生产自动化、规模化，使产品向低成本、低价格方向发展
     由于电子换相电路的成本高于机械换向器，因而使无刷直流电动机的成本及售价增加，无刷直流电动机的价格是限制其应用扩展到民用产品的领域的主要因素。针对国内外汽车行业、家电行业及办公自动化领域对低成本无刷直流电动机需求量越来越大的现状，所研制的新型永磁无刷直流电动机，目的在于提供一种结构简单、制作容易、性能可靠、控制方便、成本低廉的无刷直流电动机，以便适用于工业控制特别是各类民用产品的领域。
     在结构和工艺革新的例子：分割型定子铁心结构和连续绕线工艺方法的采用。对于节距y=1分数槽设计，用专用绕线机直接绕制定子线圈，对于外转子结构的电机比较方便；但对于内转子结构的电机，特别是定子内径小的小功率电机，就要困难得多了。为此，一些分割型定子铁心结构的构思提出来了。这种分割型定子铁心结构工艺技术使永磁无刷直流电动机生产实现高效率、大批量、自动化，日本有多家厂商效法，推出自己专利的定子铁心分割方案。这一技术已开始引起国内个别厂家关注，并进行探索试验。
     目前，在IT领域，例如软盘、硬盘、光盘驱动器、DVD、CD主轴驱动器使用的无刷直流电动机由于市场竞争，大规模生产，价格已经相当低了。
三、在电机设计方面，过去，无刷直流电动机大多采用整数槽设计。近年，分数槽技术在永磁无刷直流电动机的应用日益增多。
     无刷直流电动机采用分数槽技术有如下一些好处：
     1、对于多极的无刷电动机可采用较少的定子槽数，有利于槽满率的提高，进而提高电动机性能；同时，较少数目的元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本。
     2、增加绕组的短（长）距和分布效应，改善反电势波形的正弦性。
     3、有可能得到线圈节距 y = 1的设计（集中绕组），每个线圈只绕在一个齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减低用铜量；各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘。
     4、有可能使用专用绕线机，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺，提高工效；
     5、提高电动机性能；槽满率的提高，线圈周长和绕组端部伸出长度的缩短，使电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，进而提高电动机效率和降低温升。
     6、降低齿槽反应转矩，有利于减少振动和噪声；
总之，分数槽技术的应用有利于无刷电动机的节能、节材、小型化、轻量化、省工、生产自动化，从而可降低产品成本，争强产品竞争力。
     7、性能更加优越的DSP(数字信号处理器)电机控制器的应用增多
     就系统的控制器而言，因运动控制系统是快速系统，特别是交流电机高性能的控制需要实时快速处理多种信号，为进一步提高控制系统的综合性能，近几年国外一些大公司纷纷推出较MCU（单片微控制器）性能更加优越的DSP(数字信号处理器)单片电机控制器，如ADI的ADMC3xx系列，TI的TMS320C24系列及Motorola的DSP56F8xx系列。都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。现DSP的最大速度可达20～40MIPS以上，指令执行时间或完成一次动作的时间快达几十纳秒，它和普通的MCU相比，运算及处理能力增强10～50倍，确保系统有更优越的控制性能。
     Microchip Technology（美国微芯科技公司）日前宣布其六款dsPIC16位数字信号控制器（DSC）现已投入量产。新器件的运算速度可达20和30MIPS，配备自编程闪存，并能在工业级温度和扩展级温度范围内工作。这些卓越的性能特性使六款新数字信号控制器成为需要更高精确度、更快转速或无传感控制的电机控制应用领域的理想解决方案。
     Microchip的dsPIC数字信号控制器既拥有16位闪存单片机的高性能，又兼具数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据吞吐能力。16位单片机为核心的dsPIC数字信号控制器不仅具有功能强大的外围设备和快速中断处理能力，又融合了可管理高速计算活动的数字信号处理器功能，堪称嵌入式系统设计的最佳单芯片解决方案，从而使设计人员能够将多种功能集成在一起，同时节省电路板空间。dsPIC30F2010采用28管角SOIC及SPDIP封装，具有12K字节增强型闪存，特别适合采用先进算法的电机控制应用。dsPIC30F2010和dsPIC30F6010均具有脉宽调制（PWM）模块和一个500KSPS的10位模数转换器，是控制多种不同类型电机的理想之选，如三相交流感应电机、三相无刷直流电机及开关式磁阻电机等。
     8、无位置传感器控制技术逐步完善
     按照无刷直流电动机工作原理，必须要有转子磁极位置信号来决定电子开关的换相。目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）方法来得到这些信号。它有必须占用电机一些空间、安装位置对准、需较多引出线、影响可靠性等缺点。在某些场合，如压缩机内有高温高压环境，不允许安放霍尔元件。为此，80年代以来，微机控制技术的快速进展，出现了各种称为无位置传感器控制技术方法，是当代无刷直流电动机控制研究热点之一，它从电子电路以软件方法获得转子磁极位置信号，实现电子换相。在诸多方法中，以反电势法较成功。它检测不激励相绕组的反电势过零点，经过运算后，决定换相时刻。这也是硬件软件化的一个成功例子。
     9、正弦波控制方式更被关注
     如前所述，无刷直流电动机的电子换相控制模式分为两大类：方波驱动和正弦波驱动。就其位置传感器和控制电路而言，方波驱动相对简单、价廉而得到广泛应用，是目前绝大多数无刷直流电动机的驱动方式；正弦波驱动需要高分辨率位置传感器，如旋转变压器、光电编码器，控制电路相对复杂，成本较高。正弦波驱动是借助高分辨率位置传感器作用，以强制提供正弦波相电流为特征的无刷直流电动机电子换相方法。与方波驱动相比，它具有低转矩波动、平滑的运动、小的可闻噪声，和容易利用领先角技术实现弱磁控制，拓宽调速范围等优点。过去主要用于军用、工业用较高要求的伺服系统。高速MCU和DSP控制器的普及应用和价格大幅度降低,使性能优异的正弦波电流控制方式在价格方面的限制得到缓解,更受关注。例如,西门子公司早期开发的1F5系列方波电流控制方式的无刷直流电动机现在已经停止生产，代之以正弦波电流控制方式的1F6系列。
     近年出现的新一代或称简易位置传感器正弦波换相控制技术，不需要高分辨率位置传感器，特别是支持这种控制技术的新一代无刷直流电动机正弦波控制芯片的问世，大大促进无刷直流电动机控制正弦化趋向的形成。使它们在计算机外围设备、办公自动化设备、甚至家用电器的小功率无刷直流电动机驱动控制中开始得到应用。这种控制芯片的例子是：ST Microelectronics公司的L7250电动机驱动微控制器，朗讯 （ Lucent Technologies Microelectronics Group）2001年研制出的高端硬磁盘驱动器（HDD）电动机控制器集成电路VC2010和VC2100，Toshiba 的TMP88CS43可编程电动机驱动微控制器等。
     无刷直流电动机在计算机外围设备、办公自动化设备、白色和黑色家用电器应用日益增多，人们对它们的噪声要求也越来越苛刻。无传感器、或只需简易位置传感器，以低转矩波动、平滑运动，小可闻噪声、成本适中而见长的新一代正弦化无刷直流电动机及其驱动器将得到越来越广泛的应用，有良好的发展前景。
 

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