无刷直流电机的性能与在采样泵上的运用

有刷永磁直流电动机以其效率高、单位体积输出功率大，而得到广泛的应用。但是这类电机有一个最大的缺点，就是需要电刷和换向器。永磁直流驱动电动机的国家标准规定，在电动机的寿命期内可以更换两次电刷。电刷实际上限制了电动机的寿命。电刷和换向器之间的机械摩擦带来了火花、噪声、无线电干扰等弱点大大限制了它的进一步发展和应用范围。为了取代有刷直流电动机这种电刷－换向器结构的机械接触装置，人们对此进行了长期的探索。

无刷直流电机的发展和稀土永磁材料及功率电子器件的发展息息相关。20世纪三十年代，有人开始研制以电子换向取代电刷机械换向的无刷直流电机，但当时，由于受到元器件的限制，没有发展起来。1955年美国的D.哈里森(Harrison)等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。随着半导体技术的飞速发展，人们对1876年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件换流的无刷直流电动机，从而开创了无刷直流电动机的新纪元。从60年代末的第一代稀土永磁材料（1：5型稀土永磁）到1983年和第三代稀土永磁材料（钕铗硼永磁材料）仅仅用了十多年时间。不久前，50MGO的永磁材料已在实验室研制出来。伴随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的进步，永磁无刷直流电机得到了迅速发展。由于克服了机械换向装置的固有缺点，无刷直流电机具有寿命长、调速性能优越，体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、电磁兼容性好等诸多优点。

无刷直流电动机因其电枢绕组驱动电流形状的不同而分为两种类型：一种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为方波(梯形波)，通常被称为无刷直流电机(Brushless DC Motor-BLDCM)；另一种是正弦波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为正弦波，常称为无刷同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor-PMSM)。与PMSM相比，BLDCM具有明显的优越性，反馈装置更简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。因此，无刷直流电机的应用和研究受到了广泛的重视，凭其技术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。特别是在微特电机领域，在小功率、高转速的调速领域，无刷直流电机占据着主要位置。

直流电动机的调速方法有三种：

1、调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法可行。电枢电流变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

2、改变电动机主磁通φ。改变磁通可以以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速、属恒功率调速方法。电枢电流变化时遇到的时间常数要大很多，响应速度较慢．但所需电源容量小。

3、改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用。

自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。调压调速的实现需要有专门的可控直流电源。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的性能优良的全控型器件，由它们构成的脉宽调制（PWM）直流调速系统近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展，与老式的可控直流电源调速系统相比，PWM调速系统有以下优点：

1、采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。

2、由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。

3、PWM系统中，主电路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率因数高，效率高。

4、主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。

目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。

无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低。当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，占空比减小，电枢电流减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。转速不受电压与负载变动的影响.

由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，没有激磁损耗的问题,由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，综合效率比同容量异步电动机高出10~20%左右(依据功率大小而定)。

无刷直流电动机具有高效率、高转矩、高精度的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的机械,同时具有体积小,重量轻,可作成各种体积形状,产品性能超越传统直流电机的所有优点,是当今最理想的调速电机。

过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，稀土永磁无刷直流电动机的优势更加显现，在仪器仪表领域的运用日益广泛。无刷直流电动机的优良调速性能、在调速范围内恒转矩运行、低电磁干扰等特性使其很适合作为微型采样泵的驱动机构。市场占有率极高的成都气海机电公司在国内率先推出了配备国际先进无刷直流电机的调速采样泵。经过对采样泵极限工况、长时间交变载荷的考验，电机在不同转速下转矩波动很小，能很好满足使用要求。

现在仪器领域广泛应用的气体采样泵有：

VLC、VLK、VBY、VML系列产品，对于排气口有背压的系统则多采用FAY、FML等系列；

现在仪器领域广泛应用的液体采样泵有：

WNY、WKY、WQY、WPY系列，这些都是即可抽水又可抽气的两用型产品。

上述产品具有以下突出的优点：

一、长寿命。

二、极低的电磁干扰。

三、具有调速性能，在自带PWM（脉宽调制）线。

四、能输出电机转速反馈信号（FG)，实现了对采样泵工况的实时监控，能及时发现问题，更便于自动控制。

五、完善的自我保护功能，在泵卡死、过热等意外情况下能自动停机。

Luotf-2016-05

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