运控电机之无刷直流电动机

    王宗培¹，陈敏祥²

(1.珠海运控电机有限公司，珠海519000；2．浙江大学电气工程学院，杭州310027)

摘要：近代无刷直流电动机(BLDCM)没有滑动电接触，具有调速方便和转矩控制性能好等

类似直流电动机的特性，已成为近代运控电动机的主流。但是它本质上是具有自同步功能的交流永磁同步电动机，与真正的直流电动机相比较仍有二个弱点，一是绕组电感限制电动机的极限功率输出，二是电枢交流电流实时检测和控制不方便。提出了新一代BLDCM的设想，即具有理想直流电枢绕组电路的电子换向电动机，并对其旋转磁场一机械特性和转矩控制性方式进行了分析，有助于对其本质的理解。

关键词：无刷直流电动机；永磁同步电动机；电子换向电动机；机械特性；转矩控制

1直流电动机无刷化的梦

    由于最早得到广泛应地用的电能是直流电，所以最早发明的电动机便是直流电动机。19世纪90年代认识了交流电和三相交流电的输送和分配，随之便产生了交流电动机。三相笼型交流异步电动机结构简单，经济又方便，很快在工业中得到广泛应用。生产技术的发展，对完成机电能量转换为基本功能的电动机，还不断提出越来越高的运动控制方面的要求，其中最主要的要求是调速方便和转矩控制性能良好。直流电动机恰好具有这样的特点。于是从20世纪30年代开始，直流电动机调速系统便逐步发展并得到广泛应用。结构简单、经济又方便的异步电动机，在20世纪很长一段时间内，主要应用在不调速或简单调速的场合，在调速系统中占统治地位的则是直流电动机。

    然而直流电动机存在机械换向器以及与电刷的滑动电接触，使得结构复杂，维护麻烦，使用环境受限，在向离转速、高电压和大容量方向发展时也受到限制，成为它固有的弱点。直流电动机的优点如此突出，弱点如此明显，所以从一开始，也就是20世纪30年代起，人们便有了直流电动机无刷化的梦，着手进行无机械换向器或无滑动电接触直流电动机系统的研究。受当时客观条件的限制，在较长一段时间内，这方面研究的展不大，直到20世纪70年代，电力电子技术和计算机技术有了较大的发展，为无刷化的研究提供了基础，可实际应用的无刷直流电动机便应运而生，并很快发展，在运控电动机领域形成逐步取代传统直流电动机之势，直到20世纪末已成为当代运控电动机的主流[1]。那么直流电动机无刷化的梦已圆满实现了吗?作为当前运控电动机主流产品的是正弦波驱动的无刷直流电动机(通常被称

为交流伺服电动机)已经达到运控电动机的顶峰了吗?本文将从电机学的观点，对相关的问题作一些基础性的讨论和探讨。

2无刷直流还是永磁同步

    无刷直流电动机从上世纪70年代开始快速发展，到20世纪末已趋成熟和完善，在工业领域获得广泛应用并产业化。目前主流产品的典型结构为：①电动机的定子和转子与标准的永磁同步电动机一样，定子上有三相绕组，转子磁极采用多极磁环、表贴式磁瓦或不同特点的内嵌式永磁体结构；②直流电源通过功率开关管构成的三相桥电路或者说三相逆变驱动器给定子三相绕组供电；③转子角位置传感器通常采用的主要有霍尔元件光学编码器和旋转变压器；转子位置反馈信息通过逻辑转换或其他控制环节控制功率开关管的通断或加到绕组电路上电压和电流的相位和幅值。

    电机学科的研究者，通常认为近代无刷直流电动机“实质上是交流电动机”[2]。具体一点讲是交流永磁同步电动机。逆变器提供方波或正弦波电压驱动，在正弦驱动的情况下，电枢绕组电路的电压和电流都是正弦波与标准的同步电动机没有二样，只不过不是在恒定频率电源条件下运行。由于位置传感器控制逆变器，使电动机自同步运行，因而可以方便地调压调速，且具有类似直流电动机的特性。在方波驱动情况下，绕组电路的外加电压是三相方波，仍是三相交流电压，其中的基波分量仍起主要作用，与外加三相正弦波电压的电动机并没有原则性的区别，同样为三相永磁同步电动机，在位置传感器控制逆变器条件下自同步运行的同步电动机[3]。文献[4]作者对BLDcM的名称提出质疑，同时也不认可交流永磁同步的说法，提出应称为“交流箝位电动机”。该文作者的分析首先确认BIlI]cM是交流电动机，当然和异步(感应)电动机联系不上；和工频电源条件下工作的同步电动机相比，运行特性和特征有所不同，给一个有特色的称谓也不妨，但如果认定是与异步电动机及同步电动机并列的另一类交流电动机，则还值得商榷。

    方波和正弦波驱动的近代BLDcM，用位置传感器控制的功率开关管组件替代了传统直流电动机中的机械换向器和电刷，达到自同步运行，