運控電機之無刷直流電動機
王宗培1，陳敏祥2
(1.珠海運控電機有限公司，珠海519000；2．浙江大學電氣工程學院，杭州310027)
摘要：近代無刷直流電動機(BLDCM)沒有滑動電接觸，具有調速方便和轉矩控制性能好等
類似直流電動機的特性，已成為近代運控電動機的主流。但是它本質上是具有自同步功能的交流永磁同步電動機，與真正的直流電動機相比較仍有二個弱點，一是繞組電感限制電動機的極限功率輸出，二是電樞交流電流實時檢測和控制不方便。提出了新一代BLDCM的設想，即具有理想直流電樞繞組電路的電子換向電動機，并對其旋轉磁場一機械特性和轉矩控制性方式進行了分析，有助于對其本質的理解。
關鍵詞：無刷直流電動機；永磁同步電動機；電子換向電動機；機械特性；轉矩控制
1直流電動機無刷化的夢
由于最早得到廣泛應地用的電能是直流電，所以最早發明的電動機便是直流電動機。19世紀90年代認識了交流電和三相交流電的輸送和分配，隨之便產生了交流電動機。三相籠型交流異步電動機結構簡單，經濟又方便，很快在工業中得到廣泛應用。生產技術的發展，對完成機電能量轉換為基本功能的電動機，還不斷提出越來越高的運動控制方面的要求，其中最主要的要求是調速方便和轉矩控制性能良好。直流電動機恰好具有這樣的特點。于是從20世紀30年代開始，直流電動機調速系統便逐步發展并得到廣泛應用。結構簡單、經濟又方便的異步電動機，在20世紀很長一段時間內，主要應用在不調速或簡單調速的場合，在調速系統中占統治地位的則是直流電動機。
然而直流電動機存在機械換向器以及與電刷的滑動電接觸，使得結構復雜，維護麻煩，使用環境受限，在向離轉速、高電壓和大容量方向發展時也受到限制，成為它固有的弱點。直流電動機的優點如此突出，弱點如此明顯，所以從一開始，也就是20世紀30年代起，人們便有了直流電動機無刷化的夢，著手進行無機械換向器或無滑動電接觸直流電動機系統的研究。受當時客觀條件的限制，在較長一段時間內，這方面研究的展不大，直到20世紀70年代，電力電子技術和計算機技術有了較大的發展，為無刷化的研究提供了基礎，可實際應用的無刷直流電動機便應運而生，并很快發展，在運控電動機領域形成逐步取代傳統直流電動機之勢，直到20世紀末已成為當代運控電動機的主流[1]。那么直流電動機無刷化的夢已圓滿實現了嗎?作為當前運控電動機主流產品的是正弦波驅動的無刷直流電動機(通常被稱
為交流伺服電動機)已經達到運控電動機的頂峰了嗎?本文將從電機學的觀點，對相關的問題作一些基礎性的討論和探討。
2無刷直流還是永磁同步
無刷直流電動機從上世紀70年代開始快速發展，到20世紀末已趨成熟和完善，在工業領域獲得廣泛應用并產業化。目前主流產品的典型結構為：①電動機的定子和轉子與標準的永磁同步電動機一樣，定子上有三相繞組，轉子磁極采用多極磁環、表貼式磁瓦或不同特點的內嵌式永磁體結構；②直流電源通過功率開關管構成的三相橋電路或者說三相逆變驅動器給定子三相繞組供電；③轉子角位置傳感器通常采用的主要有霍爾元件光學編碼器和旋轉變壓器；轉子位置反饋信息通過邏輯轉換或其他控制環節控制功率開關管的通斷或加到繞組電路上電壓和電流的相位和幅值。
電機學科的研究者，通常認為近代無刷直流電動機“實質上是交流電動機”[2]。具體一點講是交流永磁同步電動機。逆變器提供方波或正弦波電壓驅動，在正弦驅動的情況下，電樞繞組電路的電壓和電流都是正弦波與標準的同步電動機沒有二樣，只不過不是在恒定頻率電源條件下運行。由于位置傳感器控制逆變器，使電動機自同步運行，因而可以方便地調壓調速，且具有類似直流電動機的特性。在方波驅動情況下，繞組電路的外加電壓是三相方波，仍是三相交流電壓，其中的基波分量仍起主要作用，與外加三相正弦波電壓的電動機并沒有原則性的區別，同樣為三相永磁同步電動機，在位置傳感器控制逆變器條件下自同步運行的同步電動機[3]。文獻[4]作者對BLDcM的名稱提出質疑，同時也不認可交流永磁同步的說法，提出應稱為“交流箝位電動機”。該文作者的分析首先確認BIlI]cM是交流電動機，當然和異步(感應)電動機聯系不上；和工頻電源條件下工作的同步電動機相比，運行特性和特征有所不同，給一個有特色的稱謂也不妨，但如果認定是與異步電動機及同步電動機并列的另一類交流電動機，則還值得商榷。
方波和正弦波驅動的近代BLDcM，用位置傳感器控制的功率開關管組件替代了傳統直流電動機中的機械換向器和電刷，達到自同步運行， |
