1、 第 1 页 共 40 页 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 研究背景研究背景 一个多世纪以来，电机作为电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领 域以及人们的日常生活中。电机的主要类型有同步电机、异步电机与直流电机三种。直 流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中， 但传统的有刷直流电机均以机械换相方法进行换相，存在相对的机械摩擦，因此带来噪 声、火花、无线电干扰及寿命等致命弱点，从而大大地限制了它的应用范围。而相比有 刷直流电机，无刷直流电机的结构是以电力电子电路取代传统有刷直流电机的电刷，故 其既具有有刷直流电机运行效率高、 运行性能好等优点， 又
2、具有交流电机运行结构简单、 运行可靠、维护方便等优点。目前，随着半导体技术的快速进步与永磁材料的新发现， 高性能、低成本的永磁无刷直流电机已成为调速领域的领军力量，它具有巨大的开发潜 质和广阔的应用前景。 1.2 1.2 无刷直流电机的研究历史及现状无刷直流电机的研究历史及现状 永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的高性 能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永 磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、 位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的优良特性，又改善了有刷直流电
3、 机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况。电机系统属环保节能 型产品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市场前 景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。 国外在无刷直流电动机发展的前期，主要致力于将更加先进的电力电子器件和材料 应用于无刷直流电动机以提高它的性能。但无刷直流电动机在低速运行时的转矩波动过 大，这是采用优良的电动机设计和先进的器件所无法从根本上取得突破的瓶颈。在八十 年代以后，随着磁性材料、电力电子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了无刷直 流电动机特性的同时，人们又把对无刷直流电动机研究的目光转移到电子换向、稀土永 磁
4、材料以及智能控制三个方面，试图来抑制无刷直流电动机的转矩波动。 我国无刷直流电动机的研制工作开始于七十年代初期，主要是为我国自行研制的军 事装置和宇航技术发展而配套。由于数量少，由某些科研单位试制就能满足要求。经过 第 2 页 共 40 页 二十多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷直 流电动机是集电动机、微电子、电力电子、控制、计算机等技术于一身的高科技产品， 受到我国基础工业落后的制约，因此无论产量、质量、品种及应用于国际先进水平有着 较大的差距，目前国内的研制单位虽不少，但形成一定批量的单位却屈指可数，而且其 中绝大部分属于低档的无刷电机，产品的市场竞争力
5、不强。 1.3 1.3 无刷直流电动机的发展历程无刷直流电动机的发展历程 1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。从19世纪 40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。随 着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有 刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷换向器结构的机械接 触装置，人们曾对此作过长期的探索。1915年，美国人 Langnall 发明了带控制栅极的 汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。20世纪30年代，有人提出用离子装置实 现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓
6、换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率 低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。 科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功， 为创造新型直流电机无刷直流电机带来了生机。1955年，美国人 Harrison 首次提 出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功 率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋 转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通 实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管 无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信 号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用了离心装置 的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复 杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到 了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机 的发展开辟了新的途径。20世纪60年代初期，
