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使用BLDC替代三相感应电机评估方案

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2020年4月19日
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一、 ＢＬＤＣ与三相感应电机

a、鼠笼式感应电机：

三相交流异步电动机的旋转磁场与转子之间存在转速差，因此称为异步电动机，它是在电磁感应基础上形成转动的，故又称为感应电动机。电动机的定子上为三相散嵌式分布绕组，转子为笼式的导条（ 鼠笼式转子绕组是自己短路的绕组，在转子在每个槽中放有一根导体材料为铜或铝，导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。）电动机在定子绕组加三相交流电后，会形成旋转磁场，其转子上的闭合的导条会因为切割定子磁场的磁力线而感应出电势和电流，而带电（电流）的导体在磁场中就会产生运动，这样电动机转子就旋转起来了。这就是鼠笼式三相异步电动机的工作原理。 这种电动机的优点是结构简单，转子上无绕组，维修成本低，而使用寿命长。使用的场合很多了，几乎使用在日常生活、工厂设备、港口码头、油田煤矿等各个领域。它的缺点是调速性能差，启动力矩较小，因此在一些要求平滑调速和启动力矩很大的场合常见其它类型电动机来完成。

b、 无刷直流电动机的发展演变及在国内工控业界的应用现状

在国外，电机大致沿着 AC交流异步电机—→直流无刷电机—→步进电机—→伺服电机 这样的演变流程在发展。因此对于各种电机的特性，国外的工程师往往比较了解，电机的采用主要根据最适合现场的标准来选择。中国的工业自动化，在改革开放后飞速发展起来。在90年代，伺服电机就已经被引入国内，广大的工控人士得以直接接触到了电机的最高端类型伺服电机。而在改革开发之前，中国工控业界马达使用类型较为单一，绝大部分的工程师都只知道和使用AC交流异步电机。中间类型的步进电机和直流无刷电机还没有来得及接触就应用到了伺服电机，马达的中间类型存在着一定的真空段，我们称这种现象叫做跳级。而实际应用中，很多场合使用直流无刷电机不但成本下降较多，而且效果还不错，控制也相对伺服电机简单。
提到直流无刷电机，那么就不得不提直流有刷电机。这里的“刷”实际上就是指“碳刷”，最早的直流电机都是带有“碳刷”的。碳刷是直流有刷电机中的关键性部件，主要起到电流的换向作用。然而其缺点也是较为突出：碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。而且碳刷存在磨耗问题，需要定期的更新碳刷，维护不方便。伴随着半导体工业的发展，使用电子换向的直流无刷电机应运而生。随着微处理机速度亦越来越快，人们能够将控制电机必须的功能做在芯片中，而且体积越来越小。像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。
直流无刷电机即是以电子方式控制交流电换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。从当前直流电机的发展趋势来看，直流有刷电机逐步被淘汰，直流无刷电机成为直流电机的主流。

外形及内部构造：

二、ＢＬＤＣ与三相感应电机相比的优点

无刷直流电机是一种超高性能的新型电机，代表着电机的发展方向，这种电机与感应电机相比，具有以下优点:

1、 均匀转矩、卓越的速度稳定性

直流无刷电机能够比较电动机转速的反馈信号与设定速度，同时调整供应给电动机的电流。籍此稳定了马达速度，即使负载状况发生变化，仍旧能够以稳定的速度驱动。能够在超低速下大扭矩运行、能够在超高速下高效率运行，能够去掉减速机直接拖动负载，实现电机与设备的直联，而感应电机不能实现以上性能。

2、 效率高：

异步电机是感应电机，要从电网中吸收能量建立电机主磁场，造成一定的能量损耗；无刷直流电机小马达转子中安装有稀土永磁材料，建立了转子磁场，不再吸收电网能量来建立电机磁场，转子与定子磁场同步运行，转子绕组中无感生电流，消除了转子电阻铜耗和磁滞损耗，不会产生转子的二次损耗节省了电能，提高了电机效率。

3、 软起软停起动力矩大：
经过改变无刷直流电机转子结构，使电机的起动转矩大于感应电机，因此在需要大起动转距的设备中能够用较小容量的无刷直流电机替代较大容量的感应电机，较好的解决了“大马拉小车”的问题，节省了设备的投入费用，提高了系统的运行效能。

4、　温升低：
由于无刷直流电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，电机电流减小，电机温升低，延长了电机的使用寿命。

直流无刷电机之所发热量低，在于其效率高。能量转换主要表示为热量加做功，当 做功的效率高时，温升自然就比较低。因此直流无刷电机非常适合使用在24小时连续运转的场合。具体的效率比请参考美国能源部对各种驱动电机效率的比较，如图所示：

5、体积小、重量轻、耗材少：
由于无刷直流电机效率高、电流小、温升低，因而电机的体积能够减小，重量能够减轻。所用材料如硅钢板、铜线、铸铁等能够减少，无刷直流电机与同容量的感应电动机相比能够减少一到两个机座号，体积、重量和所用材料均能够减轻30%左右。变频器控制异步电动机与无刷直流电动机的最大输入电流相差较大,特别是电动机台数较多时,为了保证启动电流,将导致电源设备大容量化。此时无刷直流电动机具有优势。

总之, 无刷直流电机与感应电动机相比具有效率高、功率因数高、起动转矩大、力能指标好、温升低、用材少等特点。它提高了电网的品质因数和运行效能，经过提高起动转矩较好的解决了用电设备中“大马拉小车”的现象，起到了高效节能的作用，其综合节电率为20%左右。

当前直流无刷电机在国内工控市场的知名度不高、普及率较低。许多用户当变频器异步电动机满足不了要求时就盲目直接采用伺服电动机、而很多情况能够用价格低的无刷直流电动机实现。采用伺服电机类似大马拉小车，不但控制相对复杂，而且也是对资源的浪费。

随着经济的发展，大量能源的消耗加快了地球温室化，威胁着人类生存。节能减排是全球面临的严峻课题，国家发展改革委员会启动了《节能中长期专项规划》，其中的一项就是电机系统节能工程。“十一五”期间的节能目标，电机系统运行效率提高2个百分点、节电200亿千瓦时。中国各类电动机总容量约5.8亿千瓦，占总耗电量的60%以上，其中交流电动机占90%、整体运行效率比先进国家低10%以上。推广使用高效节能的直流无刷电机正可谓利国利民。

三、性能仿真
使用Ansoft_Maxwell　进行性能仿真ＢＬＤＣ最高效率达到80％，在3Ｎ-Ｍ　负载下效率50％以上，输出功率62％

四、手板样品费用（一台）

加工方式
费用
合计
转子部分
转轴
机加工
500
3660
转子铁芯
线切割
500
钕铁硼磁铁
机加工
500
定子部分
定子铁芯
现有模具品
300
线架
漆包线
-
-
机壳
-
加工
200
轴承
-
2*30
60
前后盖板
-
机加工
800
简易绕线模具
-
机加工
500
ＰＣＢＡ
-
定制
300

五、模具费用
开模件
费用
合计
转子铁芯

钕铁硼磁铁

机壳

前盖板

后盖板

绕线模具

ＰＣＢＡ