第一章 緒 論
1.1 研究背景及問(wèn)題的提出
自1831年世界上第一臺(tái)電機(jī)問(wèn)世以來(lái)，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。電動(dòng)機(jī)主要類型有同步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)三種。其容量小到幾瓦大至上千萬(wàn)瓦。眾所周知直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對(duì)的機(jī)械摩擦并由此帶來(lái)噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及使用壽命短等致命弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，大多數(shù)均采用三相異步電動(dòng)機(jī)。
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(PM-BLDCM: Permanent Magnet Brushless Direct Current Motor)是指無(wú)機(jī)械電刷和換向器(或集電環(huán))的永磁直流電機(jī)，又稱無(wú)換向器永磁直流電機(jī)，它是近年隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)以及電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，它用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，保留了有刷直流電動(dòng)機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，同時(shí)又克服了有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來(lái)的噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等一系列的缺點(diǎn)，且降低了制造成本，簡(jiǎn)化了電機(jī)維修，因此在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如:計(jì)算機(jī)的軟盤驅(qū)動(dòng)裝置，人工智能機(jī)器人，CD機(jī)、空調(diào)器、電動(dòng)交通工具乃至航空、航天航海業(yè)等。除具有有刷直流機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高能量密度，高轉(zhuǎn)矩慣性化高效率等特點(diǎn)，同時(shí)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)和永磁材料的發(fā)展又為其發(fā)展提供了便利條件，因此PM-BLDCM具有很強(qiáng)的生命力和發(fā)展前途。早在1917年，Boliger就提出了用整流管代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無(wú)刷直流電機(jī)的基本思想。在上世紀(jì)30年代，就有人開(kāi)始研制以電子換向來(lái)代替電刷機(jī)械換向的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，并且取得了一定的成果。但是由于當(dāng)時(shí)大功率電子器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，沒(méi)能找到理想的電子換相元器件，使得這種電機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，而無(wú)法推廣使用。1955年，美國(guó)D.Harrison等人首次申請(qǐng)了用晶體管換向線路代替有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械電刷的專利，誕生了現(xiàn)代無(wú)刷電機(jī)的雛形。無(wú)刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段應(yīng)從1978年開(kāi)始，當(dāng)時(shí)原西德MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上，正式推出MAC經(jīng)典無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。
70年代以來(lái)，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTRMOSFET IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料，如杉鉆、錢鐵硼等的問(wèn)世，為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二十世紀(jì)80年代在國(guó)際上對(duì)永磁無(wú)刷電機(jī)開(kāi)展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波無(wú)刷直流電機(jī)。目前，無(wú)刷直流電機(jī)在國(guó)際上已得到較為充分的發(fā)展。我國(guó)無(wú)刷直流電機(jī)的研制上作始于二十世紀(jì)70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我國(guó)元器件水平及相關(guān)理論與實(shí)踐相結(jié)合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備距離國(guó)際水準(zhǔn)差距較大，所以目前我國(guó)無(wú)刷電機(jī)綜合水平仍低于國(guó)際水平，有待進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)[1][2]。
由于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既具備感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好，以及永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗等諸多特點(diǎn)，故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及。