無刷直流電動機的發展與應用
強曼若（上海城市建設學院）
【摘 要】介紹 無刷直流電機的發展歷史，根據其特點，重點分析其應用前景，并針對市場發展，分析我國無刷直流電動機開發現狀和存在問題，最后對其今后發展進行預測。 【敘 詞】無刷直流電動機發展史特點．應用
1概述
有刷直流電機以其優良的轉矩特性在運動控制領域得到了廣泛的應用。但是，機械電刷卻是有刷直流電機的一個致命的弱點。為此，早在1917年，Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流電機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電機的基本思想。1955年，美國D．Harrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，標志著現代無刷電機的誕生。
近40年來，由于電機本體及其相關學科的迅猛發展，“無刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換向的直流電機發展到泛指一切具有有刷直流電機外部特性的電子換向電機。刷直流電機的發展亦使得電機理論與大功率開關器件、模擬和數字專用集成電路、微處理技術、現代控制理論以及高性能材料的結合更加緊密。如今無刷直流電機集特種電機、變速機構、檢測元件、控制軟件與硬件于一體，形成為新一代電動伺服系統，且體覡著當今應用科學的許多****成果，因此是機電一體化的高技術產物。
無刷直流電機真正進入實用階段應從1978年開始，當時原西德MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿易博覽會上，正式推出MAC經典無刷直流電機及其驅動器。80年代在國際上開展了深入的研究，先后研制成方波無刷電機和正弦波無刷直流電機，在10多年的時間里，無刷直流電機在國際上已得到較為充分的發展，在一些較為發達的國家里，無刷直流電機將在未來的幾年中成為主導電機，并逐步取代其它類型的電機。
無刷直流電機在近10年里得到迅速推廣應用的另一個原因，是由于電力電子技術和集成控制技術高速發展的結果，性能優良、價格低廉的電子元器件為制造無刷直流電機創造了基本條件。80年代初期，電機本體與換向驅動電路的價格比大約為1：10，而當今已降至1：1～3，這就為大量推廣應用創造了先決條件。
我國無刷電機的研制工作始于70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。經過20多年的發展，目前我國已有幾種系列產品生產，如ST系列，IFTS系列，ASM系列，但仍沒有制定出國家標準，限于我國元器件水平及相關理論與實踐相結合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設備較國際水準差距較大，所以目前我國無刷電機綜合水平仍低于國際水平，大約相當于國外70年代末80年代初的水準，有待進一步研究和開發。
2 無刷直流電機的特點及應用
由于無刷電機比有刷直流電機有更多的優點（見附表），而且比無電刷結構的交流電機又有良好的機械特性和控制特性，因此具備廣泛應用前景。
2.1精密電子設備和器具領域
由于大多數電子設備中電子線路均由直流電源供電，且要求電機具有調速、穩速、定位控制等特性。因此當前大多數精密設備中均采用無刷電機驅動控制。如計算機硬、軟盤驅動，激光打字機棱鏡驅動，錄相機鼓驅動，CD唱機驅動，醫療診斷CT機，治療用高速牙鉆，衛星上太陽能帆板驅動，儀用通風機等。在此領域中的應用正在逐步推廣，取代有刷電機。
2.2工業自動化設備領域
目前已應用的有高檔數控加工設備，已有取代傳統結構的直流和交流電機的趨勢。另外在一些工業加工設備中也開始推廣應用，如工業縫紉機、輕印刷機械、食品加工機械等。值得密切注意潛在實用的是工業機器人驅動控制，由于這種應用場合對速度、力矩和定位控制均有要求，無刷電機是****品種，目前全世界已有100多萬臺各類機器人，而每年以高于百分之二十速率增長，對無刷電機的需求量很大。
2.3在汽車和電動車輛中的應用
現代汽車正朝著豪華型方向發展，自動化程度很高，使用眾多類塑電動機，其中無刷直流電機在很多難以維修部件中被采用。
另外，電動車作為無污染的未來交通工具，受到各國工業界的重視，目前正在加大投入，加緊開發，無刷直流電機是最理想的動力源，目前首先在電動摩托車或電動助動車使用，已逐步進入批量生產，電動汽車估計在3—5年中也將廣泛普及。
2.4在現代家用電器中的應用
1984年，美國通用電氣公司(GE)推出了一種所謂智能電動機，引起國際的注目，其實這種電機是一種以微處理器控制的無刷直流電動機。由于這種電機具有十分寬的調速范圍(20～l0000r/min)，且低噪聲、高效率，可實現一定的“智能”操作，它一問世，受到家用電器工業設計者的青睞，初期用于37. 3W吊扇，可無級調速，后來逐步在洗衣機、空調器、冰箱等家電產品中應用，使這些家電產品實現省電、多功能、自動控制，如定時，定溫，自然調節，按軟件程序工作。近年來，無刷直流電機在各類家電產品中均有應用，提高家電產品自動化程度，如按室溫自動調溫的空調器，可選擇衣物種類的洗衣機，根據冷藏物的自動選擇冷凍溫度的電冰箱等。大有取代交流電動機在家電產品中的應用趨勢。目前我國已有這類產品開發，即將投放市場。無刷直流電機在家電產品中的應用前景大大刺激了無刷電機的開發研究。據美國GE公司預測，若用無刷電機取代傳統的異步電動機在制冷器具中的應用，其效率可提高百分之二十，全美國1年可節電2.2百萬kW。
3 我國無刷直流電機開發和生產現狀及存在的問題
我國無刷直流電機的研制開發起于70年代初期，主要是為我國自行研制的軍事裝備和宇航技術發展而配套。由于需要量少，只需由某些科研單位試制提供就能滿足要求。經過20多年的發展，雖然在新產品開發方面縮短了與國際先進水平的差距，但由于無刷電機產品是綜合了電機、微電子、控制、計算機等技術于一身的高技術產品，受到了我國基礎工業落后的制約，因此無論在產量、品種、質量及應用上與國際先進水平差距甚大。目前，國內研制的單位雖不少，但能有一定批量的單位卻屈指可數。據不完全統計，全國的年產量不超過10萬臺，其中絕大部分是屬于低檔的無刷風機，且價格高于進口產品，毫無市場競爭能力，制約發展的主要因素有：
a．可供選擇的電子元器件太少，尤其專用集成模塊，國內仍然是空白，嚴重影響新產晶的開發和規模化生產，而且其可靠性差，價格高，難以滿足實際生產需要。
b．科研與生產設備陳舊，尤其是大規模生產手段缺泛，難以保證產品質量一致性，生產效率低下，增加生產成本。
c．缺泛有效的應用研究，新產品開發沒有針對性，研究和實用脫節，只追求成果的水平，忽略零部件的國產化，阻礙成果的轉化。
d．國產的原材料及零部件質次價高，如無刷電機的關鍵磁性材料、鐵氧體磁鐵和稀
土磁鋼均無法滿足需要，檢測轉子位置用傳感器水平也很差。
e．大規模應用市場還未形成，由于無刷電機主要應用在高檔的精密設備和儀器中，而這些產品目前我國還正處在開發中，即使有小批量生產，仍然是隨整機從國外進口組裝，國產化仍剛剛起步，難以在短時間完成，缺乏大批量的需求，對電機制造業決定進行大規模技術改造是很困難的選擇。
f．無刷直流電機屬精密微特電機之列，需要較多精密加工設備和測試設備，投資量大，如籌建一座年產量百萬臺錄相機用無刷直流電機生產廠，總投資需1．．5～2億元，一般企業難以承受，嚴重影響企業的技術改造。
4國際和國內市場需求預測
4.1國際市場
當今日本、德國、臺灣是無刷電機主要生產國和地區，日本的年產量超過8000萬臺，其中約百分之五十出口誨外，德國年產量約3000萬臺，臺灣主要生產較低檔無刷風機，年產量超過1000萬臺。此外，美國也有一定量的生產，主要為國內市場需要，大多屬高檔精密型，一般產品需從國外進口，是無刷電機****的進口國，年需要量幾千萬臺，價值近10億美元。西歐諸國每年也需從國外進口，滿足其計算機、機床工業的需要。近幾年，日元和馬克連續升值，使兩個無刷電機供應國的價格不斷上升，很多國際貿易商紛紛到東亞及我國尋求產品，有些制造商將整個廠搬到大陸，如日本馬淵公司連續在我國大連、深圳、蘇州等市獨立辦了三個廠，其產量極大。臺灣也有不少企業紛紛到大陸選點辦廠，給我們帶來引進技術和資金的極好機遇。
4.2國內市場
目前國內無刷電機市場仍呈潛在待開發的狀態，但發展前景美好，預測今后5年內是一個大發展時期，主要的市場（應用）大致有：
a．視聽設備：主要用于錄相機、****音響、CD機、攝像機，年需要量50～100萬臺。
b．計算機設備：驅動器、激光打印機、風機等，年需要量10～15萬臺。
c．辦公自動化設備：復印機、輕印刷機械、傳真機等，年需要量10萬臺左右。
d．自動化儀器儀表：各類記錄儀、繪圖儀、宇航自動機器、冷卻風機等，年需要量50～100萬臺。
e．工業自動化設備：數控加工設備，機器人，自動化生產線，電子產品加工設備（如焊接機，電動螺絲刀，貼片機，拉單晶機等），年需要量30～50萬臺。
f．汽車工業：制冷、自動搖窗、自動啟門等，年需要量5～10萬臺，電動車輛的驅動是一個十分龐大的潛在市場，若高能價廉的蓄電池有所突破，即能迅速大量應用市場，前景看好。
g．高檔家用電器：無級變速風扇、洗衣機、冰箱、模糊控制空調器等，無刷電機在這個領域中的應用前景十分誘人。目前我國已有很多單位正在積極開發，引進國外先進技術，預測不久即將問世，對無刷電機的需求量急劇增加，進一步促進我刷電機開發和生產。
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