駱富保 王小強(qiáng)

（1.甘肅電器科學(xué)研究院 2.蘭州城市學(xué)院）

0 引言

低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的基本性能要求對斷路器等機(jī)械開關(guān)進(jìn)行機(jī)械操作試驗(yàn)以驗(yàn)證其滿足正常使用壽命要求。對于電器機(jī)械操作性能試驗(yàn)來說需要進(jìn)行多次的重復(fù)操作，每個(gè)操作包括不同電流的操作性能試驗(yàn)，閉合操作后接著斷開操作，或通電流的操作性能試驗(yàn)，接通操作后接著分?jǐn)嗖僮?。如何使接通和分?jǐn)嗖僮髯兊冒踩咝?、重?fù)間隔和次數(shù)變得可控是機(jī)械操作性能試驗(yàn)主回路之外輔助裝置的研究重點(diǎn)。

直流電動機(jī)因?yàn)殡娝⒋嬖趽Q向火花使其壽命縮短，產(chǎn)生噪聲和電磁干擾而被變頻調(diào)速的異步電機(jī)取代，當(dāng)今電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展，以及數(shù)字信號控制器出現(xiàn)，使得電子換向取代換向器和電刷成為可能。無刷電機(jī)有著廣闊的市場，其相應(yīng)的控制器也總需要更新?lián)Q代，無刷電機(jī)的應(yīng)用不僅僅在交通工具上，還在電力傳動領(lǐng)域、數(shù)控設(shè)備、家用電器、工業(yè)生產(chǎn)上[1]。變壓調(diào)速的旋轉(zhuǎn)磁場直流電動機(jī)比變頻器實(shí)現(xiàn)起來簡易可靠，其優(yōu)越的轉(zhuǎn)矩性能和調(diào)速性能，又是變頻控制無法比擬的。無刷電機(jī)的換向、驅(qū)動使其在運(yùn)轉(zhuǎn)中平穩(wěn)可靠，可以很好地應(yīng)用于機(jī)械操作性能試驗(yàn)裝置。

1 無刷直流電動機(jī)的發(fā)展歷程及在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外，電機(jī)大致沿著AC 交流異步電機(jī)、直流無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)這樣的演變流程在發(fā)展。各種類型電動機(jī)的選擇，往往是根據(jù)其具體的工作狀況和要求的設(shè)計(jì)性能來進(jìn)行選型[2]。改革開放以來，我國各行各業(yè)得到了很快的發(fā)展，毫無疑問，工業(yè)自動化也迎來了其飛速發(fā)展的時(shí)代。20 世紀(jì)90 年代，我國就已經(jīng)引進(jìn)了伺服電動機(jī)，由于伺服電機(jī)的引進(jìn)，國內(nèi)自動控制人士才接觸到了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的電機(jī)類型。而在這以前，國內(nèi)大部分工程師都比較傾向于使用AC 交流異步電機(jī)[3]。相比于馬達(dá)，由于其類型單一，使用范圍也比較小?？v觀我國電動機(jī)的發(fā)展使用歷程，其相比于國外出現(xiàn)了跳級的現(xiàn)象，即由AC 交流異步電動機(jī)直接跳到了最高端的伺服電機(jī)，而跳過了中間類型的步進(jìn)電機(jī)和直流無刷電機(jī)。而在實(shí)際工況中，很多情況下使用直流無刷電機(jī)不僅可以降低成本，其控制也比伺服電機(jī)簡單[4]。

直流無刷電機(jī)，顧名思義就是沒有“碳刷”的電動機(jī)。碳刷是在一些電動機(jī)的固定部分與旋轉(zhuǎn)部分做信號或能量傳遞的裝置，碳刷在電機(jī)的運(yùn)動部件之間傳導(dǎo)電流，能夠?qū)㈦娏鲝墓潭ǘ藗鬟f到發(fā)電機(jī)或電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分。早期的直流電機(jī)都是帶有“碳刷”的。然而其缺點(diǎn)也是較為突出。磨損問題：由于有刷電機(jī)的電刷與電機(jī)換向環(huán)（集電環(huán)）之間相互磨損，導(dǎo)致電刷會逐漸磨損損壞，需要定期更換；噪音問題：有刷電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生明顯的刷聲，隨著電刷與換向環(huán)磨損加劇，噪音會越來越大；發(fā)熱問題：由于電刷在與換向環(huán)接觸時(shí)會產(chǎn)生摩擦發(fā)熱，再加上電刷與換向環(huán)之間的接觸電阻，有刷電機(jī)的效率會受到影響，甚至?xí)l(fā)熱；壽命問題：有刷電機(jī)的壽命比較短，通常只能使用幾千小時(shí)就需要更換電刷，更換電刷也需要專業(yè)技術(shù)，不能自行更換；容易出現(xiàn)火花：在低壓條件下，有刷電機(jī)容易出現(xiàn)火花現(xiàn)象，影響電機(jī)的正常運(yùn)行，甚至?xí)鸹馂?zāi)等危險(xiǎn)。

2 無刷直流電動機(jī)簡介

直流無刷電動機(jī)（BLDC）是一種采用電子換相技術(shù)，沒有機(jī)械換向器的電動機(jī)。它的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的直流電動機(jī)類似，由轉(zhuǎn)子、定子和磁鐵等組成，但它采用了新型控制器、感應(yīng)器和自動化系統(tǒng)來驅(qū)動電機(jī)[5]。BLDC 的電子控制器可以實(shí)現(xiàn)高精度的電能轉(zhuǎn)換。由于直流無刷電機(jī)本質(zhì)上也屬于同步電機(jī)，那么其電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度以及轉(zhuǎn)子極數(shù)就會影響電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。由公式：N=120×f/P（N為級數(shù)）可知，如果轉(zhuǎn)子極數(shù)P固定不變，只需要改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率f就可以達(dá)到改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速目的。

無刷直流電動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無級變速，BLDC 電機(jī)的控制方式主要有電勢控制和矢量控制兩種。電勢控制簡單易懂，但調(diào)速控制精度不高；矢量控制具有精細(xì)的調(diào)速控制，但需要更復(fù)雜的控制電路。因此，選擇適合的控制方式是BLDC 電機(jī)應(yīng)用中必須考慮的重要問題。

3 無刷直流電動機(jī)的構(gòu)造

BLDC 的構(gòu)造與傳統(tǒng)的直流電動機(jī)類似，由定子、轉(zhuǎn)子和磁鐵組成[6]。但BLDC 電機(jī)沒有機(jī)械換向器，而是采用電子控制器來驅(qū)動電機(jī)。定子：BLDC電機(jī)的定子通常采用三相繞組，每個(gè)繞組與其相鄰兩個(gè)的繞組之間相位差120°。繞組的銅線通常繞在硅鋼板上，以增強(qiáng)磁場，提高效率。轉(zhuǎn)子：BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常采用永磁體材料，如NdFeB 等，這樣可以提供強(qiáng)大的磁場，保證電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩和高效率。另外，轉(zhuǎn)子上的磁鐵通常以特定的方式排列（如平行排列、交錯(cuò)排列等），以提高電機(jī)的運(yùn)行效果。傳感器：BLDC 電機(jī)的傳感器可用于檢測電流、速度、位置和加速度等參數(shù)，以幫助電子控制器根據(jù)不同的運(yùn)行條件來控制電機(jī)運(yùn)行[7]。磁氣元件霍爾IC 固定在定子的內(nèi)側(cè)，一般安裝有3 個(gè)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)，即從霍爾IC 輸出數(shù)字信號。

外形及內(nèi)部構(gòu)造如圖1、圖2 所示，構(gòu)造及霍爾IC 內(nèi)部圖如圖3 所示。

圖1 電機(jī)剖視圖

圖2 繞組構(gòu)造

圖3 無刷直流電動機(jī)的構(gòu)造及霍爾IC 內(nèi)部

4 直流無刷電動機(jī)的特點(diǎn)

無刷直流電動機(jī)是一種新型的電動機(jī)，與傳統(tǒng)的有刷直流電動機(jī)相比較，直流無刷電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)。無刷直流電動機(jī)采用電子換向器代替了傳統(tǒng)的機(jī)械換向器，具有更高的可靠性和更長的使用壽命。無刷直流電動機(jī)的效率更高，能耗更低，可以滿足更高的性能要求。無刷直流電動機(jī)噪音更低，振動更小，工作更穩(wěn)定，對機(jī)械操作性能試驗(yàn)裝置的影響更小，具有剎車、雙轉(zhuǎn)向功能。無刷直流電動機(jī)具有自動控制和保護(hù)功能，可以通過編程實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，實(shí)現(xiàn)更高的自動化程度。

5 無刷直流電動機(jī)在機(jī)械操作性能試驗(yàn)裝置中的應(yīng)用

無刷直流電動機(jī)基于其構(gòu)造特點(diǎn)和功能，其在機(jī)械操作性能試驗(yàn)裝置中的應(yīng)用也很廣泛[8]。第一，無刷直流電動機(jī)可用于驅(qū)動負(fù)載模擬器，模擬不同負(fù)載下的性能參數(shù)；第二，無刷直流電動機(jī)可用于驅(qū)動傳動系統(tǒng)，測試傳動系數(shù)和傳動效率；第三，無刷直流電動機(jī)可用于驅(qū)動加載裝置，模擬加荷狀態(tài)下機(jī)械部件性能的變化；第四，無刷直流電動機(jī)可用于驅(qū)動轉(zhuǎn)臺，測試機(jī)械部件在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的性能參數(shù)。對于機(jī)械操作性能試驗(yàn)輔助裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用無刷直流電機(jī)具有非常大的優(yōu)勢?？傊?，無刷直流電動機(jī)在機(jī)械操作性能試驗(yàn)裝置中具有廣泛的應(yīng)用前景，可實(shí)現(xiàn)更高的自動化和智能化程度，為機(jī)械制造工業(yè)的發(fā)展提供有力的支撐。

6 選用無刷電動機(jī)的原因

區(qū)別于有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料。用方波自控式永磁同步電機(jī)代替了傳統(tǒng)的機(jī)械電刷裝置。性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機(jī)有很大優(yōu)勢，是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。它的優(yōu)勢在于高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性、可伺服控制、無級變頻調(diào)速、相對低成本且簡單易用。

電動機(jī)的啟動電流一般為額定電流的4～7 倍，無刷直流電動機(jī)最大啟動電流為3A，而變頻器控制異步電動機(jī)的啟動電流最大可以達(dá)到7A。無刷直流電動機(jī)最大啟動電流的2 倍多。變頻器控制異步電動機(jī)與無刷直流電動機(jī)的最大啟動電流還是相差較大。如果啟動電流太大，這在數(shù)量較多的電動機(jī)啟動時(shí)對電源容量的要求就非常高，為了保證電動機(jī)的正常啟動電流，就要求電源設(shè)備大容量化。從這個(gè)角度看無刷直流電動機(jī)更加具有優(yōu)勢。

無刷直流電動機(jī)的定子繞組大多采用三相對稱星形連接，與三相異步電動機(jī)非常相似。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有磁化的永磁體。為了檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電機(jī)中安裝了位置傳感器。驅(qū)動器由電力電子器件和集成電路組成。它的作用是接收電機(jī)的啟動、停止和制動信號，控制電機(jī)的啟動、停止和制動。接收位置傳感器信號和正負(fù)信號，控制逆變電橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接收速度指令和速度反饋信號，用于控制和調(diào)節(jié)速度；提供保護(hù)、顯示等。對于無刷直流電動機(jī)不能用于大功率發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)，試運(yùn)轉(zhuǎn)裝置所需轉(zhuǎn)矩小，可以很好地滿足設(shè)計(jì)要求，可以忽略。

7 結(jié)束語

機(jī)械開關(guān)電器若依賴人力操作，操作的速度和操作力都取決于操作者，機(jī)械操作性能的試驗(yàn)對操作過程的連續(xù)性也有著嚴(yán)苛的要求，有關(guān)人力操作的斷路器在操作時(shí)速度應(yīng)為0.1m/s±25%，在試驗(yàn)裝置的末端碰觸到斷路器操動裝置時(shí)進(jìn)行測量[9]。無刷直流電動機(jī)可以在作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動機(jī)拖動工作機(jī)械過程調(diào)節(jié)速度時(shí)，使其轉(zhuǎn)速均勻平滑變化，實(shí)現(xiàn)操作輔助裝置的無級調(diào)速，達(dá)到試驗(yàn)的操作速度要求。使得機(jī)械操作試驗(yàn)大大地提高了準(zhǔn)確度和可重復(fù)性。