无刷直流电动机的发展与应用

无刷直流电动机的发展与应用

【摘 要】介绍无刷直流电机的发展历史，根据其特点，重点分析其应用前景，并针对市场发展，分析我国无刷直流电动机开发现状和存在问题，最后对其今后发展进行预测。

【叙 词】无刷直流电动机发展史特点．应用

1概述

有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用。但是，机械电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点。为此，早在1917年，Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1955年，美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。

近40年来，由于电机本体及其相关学科的迅猛发展，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。如今无刷直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一代电动伺服系统，且体觋着当今应用科学的许多最新成果，因此是机电一体化的高技术产物。

无刷直流电机真正进入实用阶段应从1978年开始，当时原西德MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易博览会上，正式推出MAC经典无刷直流电机及其驱动器。80年代在国际上开展了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展，在一些较为发达的国家里，无刷直流电机将在未来的几年中成为主导电机，并逐步取代其它类型的电机。

无刷直流电机在近10年里得到迅速推广应用的另一个原因，是由于电力电子技术和集成控制技术高速发展的结果，性能优良、价格低廉的电子元器件为制造无刷直流电机创造了基本条件。80年代初期，电机本体与换向驱动电路的价格比大约为1：10，而当今已降至1：1～3，这就为大量推广应用创造了先决条件。

我国无刷电机的研制工作始于70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。经过20多年的发展，目前我国已有几种系列产品生产，如ST系列，IFTS系列，ASM系列，但仍没有制定出国家标准，限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备较国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，大约相当于国外70年代末80年代初的水准，有待进一步研究和开发。

2 无刷直流电机的特点及应用

由于无刷电机比有刷直流电机有更多的优点（见附表），而且比无电刷结构的交流电机又有良好的机械特性和控制特性，因此具备广泛应用前景。

2.1精密电子设备和器具领域

由于大多数电子设备中电子线路均由直流电源供电，且要求电机具有调速、稳速、定位控制等特性。因此当前大多数精密设备中均采用无刷电机驱动控制。如计算机硬、软盘驱动，激光打字机棱镜驱动，录相机鼓驱动，CD唱机驱动，医疗诊断CT机，治疗用高速牙钻，卫星上太阳能帆板驱动，仪用通风机等。在此领域中的应用正在逐步推广，取代有刷电机。

2.2工业自动化设备领域

目前已应用的有高档数控加工设备，已有取代传统结构的直流和交流电机的趋势。另外在一些工业加工设备中也开始推广应用，如工业缝纫机、轻印刷机械、食品加工机械等。值得密切注意潜在实用的是工业机器人驱动控制，由于这种应用场合对速度、力矩和定位控制均有要求，无刷电机是首选品种，目前全世界已有100多万台各类机器人，而每年以高于百分之二十速率增长，对无刷电机的需求量很大。

2.3在汽车和电动车辆中的应用

现代汽车正朝着豪华型方向发展，自动化程度很高，使用众多类塑电动机，其中无刷直流电机在很多难以维修部件中被采用。

另外，电动车作为无污染的未来交通工具，受到各国工业界的重视，目前正在加大投入，加紧开发，无刷直流电机是最理想的动力源，目前首先在电动摩托车或电动助动车使用，已逐步进入批量生产，电动汽车估计在3—5年中也将广泛普及。

2.4在现代家用电器中的应用

1984年，美国通用电气公司(GE)推出了一种所谓智能电动机，引起国际的注目，其实这种电机是一种以微处理器控制的无刷直流电动机。由于这种电机具有十分宽的调速范围(20～l0000r/min)，且低噪声、高效率，可实现一定的“智能”操作，它一问世，受到家用电器工业设计者的青睐，初期用于37. 3W吊扇，可无级调速，后来逐步在洗衣机、空调器、冰箱等家电产品中应用，使这些家电产品实现省电、多功能、自动控制，如定时，定温，自然调节，按软件程序工作。近年来，无刷直流电机在各类家电产品中均有应用，提高家电产品自动化程度，如按室温自动调温的空调器，可选择衣物种类的洗衣机，根据冷藏物的自动选择冷冻温度的电冰箱等。大有取代交流电动机在家电产品中的应用趋势。目前我国已有这类产品开发，即将投放市场。无刷直流电机在家电产品中的应用前景大大刺激了无刷电机的开发研究。据美国GE公司预测，若用无刷电机取代传统的异步电动机在制冷器具中的应用，其效率可提高百分之二十，全美国1年可节电2.2百万kW。

3 我国无刷直流电机开发和生产现状及存在的问题

我国无刷直流电机的研制开发起于70年代初期，主要是为我国自行研制的军事装备和宇航技术发展而配套。由于需要量少，只需由某些科研单位试制提供就能满足要求。经过20多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷电机产品是综合了电机、微电子、控制、计算机等技术于一身的高技术产品，受到了我国基础工业落后的制约，因此无论在产量、品种、质量及应用上与国际先进水平差距甚大。目前，国内研制的单位虽不少，但能有一定批量的单位却屈指可数。据不完全统计，全国的年产量不超过10万台，其中绝大部分是属于低档的无刷风机，且价格高于进口产品，毫无市场竞争能力，制约发展的主要因素有：

a．可供选择的电子元器件太少，尤其专用集成模块，国内仍然是空白，严重影响新产晶的开发和规模化生产，而且其可靠性差，价格高，难以满足实际生产需要。

b．科研与生产设备陈旧，尤其是大规模生产手段缺泛，难以保证产品质量一致性，生产效率低下，增加生产成本。

c．缺泛有效的应用研究，新产品开发没有针对性，研究和实用脱节，只追求成果的水平，忽略零部件的国产化，阻碍成果的转化。

d．国产的原材料及零部件质次价高，如无刷电机的关键磁性材料、铁氧体磁铁和稀

土磁钢均无法满足需要，检测转子位置用传感器水平也很差。

e．大规模应用市场还未形成，由于无刷电机主要应用在高档的精密设备和仪器中，而这些产品目前我国还正处在开发中，即使有小批量生产，仍然是随整机从国外进口组装，国产化仍刚刚起步，难以在短时间完成，缺乏大批量的需求，对电机制造业决定进行大规模技术改造是很困难的选择。

f．无刷直流电机属精密微特电机之列，需要较多精密加工设备和测试设备，投资量大，如筹建一座年产量百万台录相机用无刷直流电机生产厂，总投资需1．．5～2亿元，一般企业难以承受，严重影响企业的技术改造。

4国际和国内市场需求预测

4.1国际市场

当今日本、德国、台湾是无刷电机主要生产国和地区，日本的年产量超过8000万台，其中约百分之五十出口诲外，德国年产量约3000万台，台湾主要生产较低档无刷风机，年产量超过1000万台。此外，美国也有一定量的生产，主要为国内市场需要，大多属高档精密型，一般产品需从国外进口，是无刷电机最大的进口国，年需要量几千万台，价值近10亿美元。西欧诸国每年也需从国外进口，满足其计算机、机床工业的需要。近几年，日元和马克连续升值，使两个无刷电机供应国的价格不断上升，很多国际贸易商纷纷到东亚及我国寻求产品，有些制造商将整个厂搬到大陆，如日本马渊公司连续在我国大连、深圳、苏州等市独立办了三个厂，其产量极大。台湾也有不少企业纷纷到大陆选点办厂，给我们带来引进技术和资金的极好机遇。

4.2国内市场

目前国内无刷电机市场仍呈潜在待开发的状态，但发展前景美好，预测今后5年内是一个大发展时期，主要的市场（应用）大致有：

a．视听设备：主要用于录相机、高级音响、CD机、摄像机，年需要量50～100万台。

b．计算机设备：驱动器、激光打印机、风机等，年需要量10～15万台。

c．办公自动化设备：复印机、轻印刷机械、传真机等，年需要量10万台左右。

d．自动化仪器仪表：各类记录仪、绘图仪、宇航自动机器、冷却风机等，年需要量50～100万台。

e．工业自动化设备：数控加工设备，机器人，自动化生产线，电子产品加工设备（如焊接机，电动螺丝刀，贴片机，拉单晶机等），年需要量30～50万台。

f．汽车工业：制冷、自动摇窗、自动启门等，年需要量5～10万台，电动车辆的驱动是一个十分庞大的潜在市场，若高能价廉的蓄电池有所突破，即能迅速大量应用市场，前景看好。

g．高档家用电器：无级变速风扇、洗衣机、冰箱、模糊控制空调器等，无刷电机在这个领域中的应用前景十分诱人。目前我国已有很多单位正在积极开发，引进国外先进技术，预测不久即将问世，对无刷电机的需求量急剧增加，进一步促进我刷电机开发和生产。