无刷直流电动机的发展现状和质量特点

    摘要：综述了无刷直流电动机的发展及现状，总结了这类电机的技术特征及应用领域。就其质量问题进行了详细分析及探讨，并提出了无刷直流电动机的发展对策。

l引言

    无刷直流电动机是随着电子技术发展而出现的机电一体化电机，是现代电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。无刷直流电动机采用霍尔元件等作位置传感器，代替有刷直流电机的换向器和电刷部分，以电子换向取代机械换向，同时具有有刷直流电机的外部特性。普通直流电机通过电刷进行机械换向，换向时产生电磁干扰，噪声大，电刷的损耗也造成电机的可靠性差，为了克服机械换向带来的缺点，无刷直流电动机应运而生。

    国外对无刷直流电动机的研究较早，在20世纪80年代初就已经开始正式生产和应用了。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术的进步，无刷直流电动机得到了很大的发展。国内在这方面起步稍晚，但最近已逐渐与国际水平缩小了技术差距，生产和应用规模也快速增长。

2发展现状

    2005年全球微特电机产量为80多亿台，其中我国(包括台湾、香港地区)总产量高达全球的70％，并以每年5％的速度增长。微特电机日益成为广泛应用于自动化、家电、电子信息产业、航空航天和现代军事装备等领域的重要基础元件，数量和品种发展很快，其中尤以无刷直流电动机的增长最为迅速，近年来正在以每年大约15％的比例增加。

    无刷直流电动机是电机技术和电子技术结合的机电一体化新型微电机。无刷电动机的主要特征是具有与普通有刷直流电动机相似的机械特性，以及以电子换向电路代替机械换向结构。它除了具有调速范围宽、起动力矩大、效率高等优点以外，还具有如下特点：

    (1)与电子技术相结合，采用电子驱动控制器实现电子换向代替机械接触换向，没有电刷和换向器的电气接触火花和磨损，电磁干扰小，可工作于高速，电机运行稳定，寿命长，工作可靠性高。

    (2)电机结构上，定子为电枢绕组，定子绕组与机壳相接触，散热面积大，散热效果好。永磁材料作转子，无通电绕组，几乎无损耗和发热，效率高。

    (3)电子线路部分与电机本体分开，实现对电动机的良好控制。如可以不改变电源总线电压，通过改变逻辑信号顺序，实现电机的正／反转，通过改变逻辑部分PWM的占空比，实现电机的调速控制；通过位置传感器可实现速度闭环，使电动机在一定速度下稳定运行。

    (4)可工作于高真空、有腐蚀性气体介质和液体介质等特殊环境中，例如宇航设备。

    (5)与数字化技术、现代控制理论结合，有较好的可控性，调速范围宽，使电机向智能化方向发展。

    无刷直流电动机正在高性能的应用领域内逐步取代其它类型电机，占据主导地位是一个不可逆转的趋势。

    宇航和军事装备领域属于高科技产业，技术含量高。在航空航天领域，由于高真空，无刷直流电动机的优势是最明显的。如宇宙飞船中用的各种泵，使用了许多的无刷直流电动机。随着现代军事装备的发展，对军用微特电机提出高性能、高精度、高可靠性和轻型化的严格要求，同时提出耐恶劣环境的要求，如高低温、高空、振动冲击和三防等特殊要求。这使无刷直流电动机的优势得到了充分的发挥，据估算，军用微特电机约占微特电机总产量的5％左右，这其中无刷直流电动机占了很大的比重。

    作为新型机电一体化产品，无刷直流电动机其鲜明的技术特征得到家电业界的广泛认同，无刷直流电动机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家电的需要，因此其应用面不断扩大。用量也大幅提高，甚至是数以亿台计。

    目前我国变频家用电器正在由“交流变频”向“直流变频”转变，从单相异步电机供电，现已被无刷直流电动机及其控制器所取代。由于可以获得更好的节能效果和节省材料，目前日本90％以上的空调器采用无刷直流电动机替代异步电机变频调速，我国近几年变频空调也发展迅速，无刷直流电动机的应用增长迅速。在洗衣机中通过采用无刷直流电动机及其控制技术，实现了平稳起动、加速和减速刹车，洗涤脱水无级变速，使洗涤速度和节拍可同时改变，取得了高洗涤、低磨损、免缠绕的理想效果，且与普通洗衣机相比噪声也大大降低。

    在电动车辆及工业自动化控制领域，小型宽范围调速及伺服驱动领域也大量采用了无刷直流电动机，从而达到降温、减噪、提高效率的目的。特别是电子元器件技术和工艺的提高，使无刷直流电动机成为一种十分理想的驱动源，应用量逐年增多。

    计算机用主轴电机采用的也是无刷直流电动机，而且信息电子产品中无刷直流电动机的应用也越来越多，机器人控制装置已成为无刷直流电动机的主要应用领域之一。这些领域和产业的的迅猛发展和需求，大大开拓了无刷直流电动机的市场。

    据预测，“十一五”期间，随着控制技术的进步，无刷直流电动机的使用领域会不断拓宽，功率等级也会越来越大。技术发展朝高性能、高可靠性、高精度、无刷化、永磁化、机电一体化方向发展。

3质量特点

    由于无刷直流电动机需要电子驱动线路与电机一起组成系统才能工作，技术相对复杂，因而对生产企业的要求相对较高。而无刷直流电动机在整机系统中所起的作用往往十分关键，其产品的好坏会直接影响到系统的质量水平，因此无刷直流电动机的产品质量非常重要。

    近几年国内生产无刷直流电动机的企业增长很快，产品的类型种类和产量也大幅度提高。根据每年微特电机产品国家季度监督抽查结果综合地分析，无刷直流电动机产品质量有以下几个特点：   

    (1)产品整体质量稳定在较高水平   

    近几年，国外知名企业进入中国市场速度非常快。这些外资企业非常重视无刷直流电动机的开发和生产，强化以高新技术为主要竞争手段。他们正积极开发各类无刷直流电动机，月产量一般都达到数百万台。国内有实力的大中型企业也意识到无刷直流电动机已经成为当前微特电机的主要发展方向，投入大量的资金和技术进行无刷直流电动机产品的研发和生产，产量也日益增大。   

    虽然目前国内的无刷直流电动机企业较多，但产量分布大部分集中在这些外资企业和国营大中型企业，由于它们强大的技术实力和生产管理能力，产品的质量水平相当稳定，从而使无刷直流电动机产品整体的质量稳定在较高水平。   

    但同时我们也应看到许多小型企业，自身的技术水平不高，他们生产的无刷直流电动机产品质量还不稳定，是需要重点管理和提高的。   

    (2)电子控制线路是无刷直流电动机的质量问

题的主要因素   

    无刷直流电动机的电机部分绕组在定子上，转子采用永磁体励磁，无通电绕组，这种结构有利于生产加工，技术要求相对较低，在原材料质量稳定的基础上，电机部分的质量容易控制。而与之对应，电子驱动线路的技术含量较高，它的输出直接控制电机的运行，因此控制线路的质量决定了无刷直流电动机的质量。   

    电子驱动线路国内产品的性能质量与国外水平相差甚远，高性能的变频器技术基本上掌握在外国人手里。对于有实力的企业，无刷直流电动机的电机部分和电子驱动线路都是自己生产，其质量水平易于控制。而对一些实力不足的企业，它的电子驱动线路是外部采购的。由于电子换向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高，一些企业往往为了降低成本而选购质次价低的电子驱动线路产品，从而造成无刷直流电动机的整机质量下降。   

    (3)国内企业产品性能的稳定性和可靠性等指标与国外产品差距较大   

    目前，我国多数的企业已经具备较强的生产能力，但与国外相比，有实力的企业尚不多见，特别是技术水平仍然不高。究其原因是科研投入少，且效率低，技术力量分散。   

    目前国内企业产品不尽如意的主要表现是：产品的技术标准较低，稳定性和可靠性差，产品寿命指标等与国外同类型产品的差距较大。有些独资企业的产品虽属中高档水平，但研发机构均设在本国，技术含量高的高速精密无刷主轴电机等产品很多尚未在我国生产。我国使用的精密永磁交流伺服驱动控制系统绝大部分依赖进口，据不完全统计，每年进口费用需2亿美元左右，这已经阻碍了永磁无刷直流电动机在我国的应用发展。

    (4)关键材料和零部件也是影响产品质量的重

    无刷直流电动机的一些关键材料和零部件也会对产品的性能和寿命产生较大的影响。如转子采用的永磁材料，其性能的好坏直接影响电机的特性；又如电机中的轴承，由于没有了电刷，电机工作的时限主要决定于轴承及润滑。这些关键材料和零部件的选用必须把好质量关，不能片面追求经济效益而选用劣质材料和零部件。

4发展对策

    针对以上无刷直流电动机的质量特点，国内的生产企业应该从以下几方面着手：

    (1)企业要加强电机应用技术的科研工作，培养自己的技术骨干，大力提升自身的技术实力。

    (2)应该建立完善的生产管理流程和质量控制体系，把好原材料关。

    (3)一些有实力的电机厂不应固守传统，只生产电机本体，而应尽量将电机与控制器结合起来一同生产，从而使控制器与电机本体能更好的匹配，提高效率，节省能源。

    (4)低档次产品使得企业之间的竞争更趋激烈，要与研究所、大学等科研机构加强联系，实行找寻适合自己的高科技附加值的产品，加快科技成果的转化和商品化工作。

    (5)依托行业协会，加强同国内外同行的技术交流与合作，紧跟新技术。

    (6)采用新材料、新工艺，提高电机性能。