探索永磁无刷电机及其应用

文／朱则刚／

永磁无刷直流电机是近年随着稀土永磁材料和电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机，直流电机具有最优越的调速性能，被认为是21世纪最有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机。

永磁无刷电机是永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷直线电机和永磁无刷力矩电机的总称。永磁无刷直流电动机是近年随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机，它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能。同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点，因此在各个领域中得到广泛应用，面对能源紧张、环境污染和机器人的快速发展，21世纪应发展具有高效率低能耗、高出力省材料、高性能高可靠、小尺寸轻重量等特点的微特电机产品，由于磁性材料、电力电子技术、集成电路技术和计算机技术的迅速发展，永磁无刷电机具有上述特点，因此它已是目前微特电机的发展主流。现代电力电子技术和永磁材料的发展又为其发展提供了便利条件，因此永磁无刷直流电动机具有很强的生命力和发展前途。

一、技术进步和市场拉动加速永磁无刷电机的发展

面向21世纪，满足与地球环境共存、与网络结合、机器人要求的微特电机将得到更快发展，并将构筑起“微特电机的新时代”。与地球环境共存要求电机高效节能、高出力省材料、静音舒适、无害无污染等。与网络结合要求电机小型化、片状化、高速化、轻量化、高精度、高性能等。机器人用电机要求高出力、低惯量、低速大力矩、智能化等。为了满足上述要求，国外微特电机制造公司，尤其是主要制造商，十分重视永磁无刷电机和驱动控制技术的研究、开发。电机进行优化设计，合理选择参数，减少力矩脉动和噪音，扩大调速范围；多极集中绕组，减少绕组端部长度，拼块式或铰链式电枢冲片提高槽满率，高效率高性能驱动控制技术的研究，高性能永磁材料的采用，提高了效率，节省了材料，缩小了体积，减轻了重量，这些技术的研究和开发使永磁无刷电机具有高效节能、高出力省材料、高可靠高性能、体积小重量轻等优点，也使永磁无刷电机技术迅速发展和成熟。

有资料显示，家电领域使用的电机约占整个微特电机的15%。空调器、洗衣机、电冰箱等主要家电最早使用单相异步电动机，但效率低、利用率低。为了节能，90年代初家电开始采用变频调速异步电动机。目前日本90%以上的空调器采用永磁无刷直流电机，替代异步电动机变频调速。我国空调器制造厂也开始采用永磁无刷直流电机，以获得更好的节能效果和节省材料。在相同的额定功率和额定转速下，如果单相异步电动机的体积和重量为100%，则永磁无刷直流电动机的体积为38%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上。

永磁无刷电机已得到广泛应用，并将进一步拓宽使用领域，需求量的增加，有力地拉动了永磁无刷电机的发展。网络领域使用的微特电机数量约占整个微特电机的38%，HDD主轴电机、打印机主轴电机、复印机主轴电机、计算机风机、高档DVD主轴电机都是采用永磁无刷电机，而且是精密永磁无刷电机，由于精度要求高，均采用粘结钕铁硼、整片电枢冲片、多极集中绕组、外转子结构。手机用的振动电机，不论是圆柱形还是钮扣式振动电机绝大部分还是采用有刷直流电机，但也有无刷振动电机，目前没有得到广泛使用。

为了尽可能提高效率，电机永磁体采用烧结钕铁硼，电枢冲片采用拼块式或铰链式，多极集中绕组，根据用户使用要求电机可做成外转子或内转子结构。空调器、洗衣机、电冰箱等为主的家电领域将越来越多地采用永磁无刷电机。电动车用的微特电机约占整个微特电机的17%。我国生产电动自行车其驱动电机大部份采用有刷直流电机。但由于直流有刷电机有寿命短，维修难的缺点，随着永磁无刷直流电机价格的下降及控制器可靠性的提高，采用永磁无刷电机越来越多。

工业领域中各类加工机械设备、IC设备、电梯等伺服驱动系统，最初用的是有刷直流电动机调速系统。70年代后，变频调速异步电动机不断替代有刷直流电动机调速系统，因为变频调速异步电动机的性价比优于有刷直流电动机调速系统，具有结构简单、可靠性高、干扰小、维护少、寿命长的特点。由于永磁无刷电机具有比异步电动机体积更小，重量更轻，效率更高等优点，中小功率异步电动机变频调速系统正在逐步被永磁无刷电动机取代，电机永磁体采用烧结钕铁硼，绕组形式有集中绕组和分布绕组两种，主要是内转子结构。目前精密加工机械、IC制造设备绝大部份采用数字式永磁交流同步电动机伺服控制系统，一般工业机械采用永磁无刷直流电机驱动系统。电梯采用永磁无刷同步电动机伺服控制系统后，不仅具有体积小、节能、控制性能好的优点，又容易实现减速直接驱动，消除齿轮减速装置，低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的有刷直流电动机调速和异步电动机变频调速，适合在无机旁电梯中使用，因此永磁无刷同步电动机驱动得到各大电梯公司的青睐。

二、机械工业领域采用永磁无刷电机将是发展趋势

由于能源紧张和环境污染日益加强，电动汽车显示出强劲的生命力，被汽车生产厂和消费者普遍看好。美国通用、日本丰田、法国雪铁龙等大汽车公司都将电动汽车作为发展方向。我国也高度重视，电动汽车已经被科技部列为国家重大攻关项目，也是发展绿色交通的重要内容之一。汽车电动助力转向系统中的驱动电机有有刷直流电机和永磁无刷电机，电动汽车驱动电机有有刷直流电机、变频异步电机和永磁无刷电机，但它们的发展趋势都是永磁无刷电机，尤其是日本汽车制造商都采用永磁无刷电机。凡是电动车中涉及安全等重要系统中用的电机采用永磁无刷电机替代有刷直流电机将是一个趋势。电机永磁体采用烧结钕铁硼，绕组形式有集中绕组和分布绕组两种，电机结构有外转子和内转子两种。至于汽车中用的一般电机目前仍然是有刷直流电机为主。

高速高精度加工机床的进给驱动，目前主要还是用传统的旋转伺服电机加精密高速滚珠丝杆结构。上世纪九十年代初开始应用直线电机直接驱动,其与传统结构相比,有速度提高30倍,加速度提高10倍,最大达10g，刚度提高7倍等一系列优点。当然直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，如控制难度大、磁干扰、成本较高等，但是总的发展趋势是直线电机驱动占比重会越来越大，很有可能将来成为机床进给驱动的主体。由于永磁无刷同步式直线伺服电机具有效率高，推力密度大，可控性好等优点，尽管其对隔磁防尘要求高和装配较困难，但现在已成为机床用直线电机的主流。其他领域包括武器装备、机器人、宇航等用微特电机。这些使用领域选用各类电机，品种规格繁多，如美国军用微特电机有5000多个品种，年生产量只有300万台。

随着机器人、宇航事业的发展，对微特电机的需求量将增加，要求也将提高。这些领域的伺服驱动类电机也向永磁无刷电机发展，如美国研制和生产军用、宇航用微特电机骨干单位科尔摩根公司，有两个永磁交流伺服电动机系列，M系列有5个机座号，47个品种。MT系列产品比M系列产品体积更小，效率更高，转动惯量更小，接线插头可旋转，进一步提高了武器装备的快速性、小型化、可靠性和可维性，满足了武器装备伺服控制系统要求，广泛用于雷达、宇航等领域。德国西门子公司和芬兰ABB公司生产的额定功率3820kW，额定电压2800V，额定转速135r/min的永磁无刷电机已经使用在豪华游轮、破冰船、工程船等吊舱式推进器，现正在推广到潜艇，替代有刷直流电动机，提高潜艇性能。

永磁无刷电机是集新型永磁材料、电力电子、集成电路、计算机及电机技术于一体的产品，相关行业的技术发展，是永磁无刷电机发展的基础。高性能钕铁硼永磁材料下游应用领域主要分为两大类：一类为传统应用领域，包括VCM、消费类电子产品(手机、光盘驱动器等)，其需求较为稳定。一类为新能源和节能环保领域，主要应用于稀土永磁电机。稀土永磁电机是近年来新兴的替代传统电机的新型节能环保电机，其节能体现在采用永磁体励磁的方式提高了电机效率，达到节能的效果；环保体现在降低能耗和减少排放。

80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现及高速发展，为永磁无刷电机提供高剩磁感应强度、高矫顽力、高磁能积的永磁体，其温度系数大，居里点低，容易氧化生锈的不足，得到不断的改进提高，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度可达180℃，一般也可达到150℃，通过涂覆处理解决氧化生锈问题。永磁无刷电机大部份采用粘结或烧结钕铁硼，随着国家对新能源及节能减排力度的加大，预计未来几年，我国在风电、节能电梯、新能源汽车以及节能环保空调等行业快速发展。预计至2014年，我国新能源和节能环保领域对高性能钕铁硼体需求量将达到约2.7万吨，三年复合增长率为34.4%。

随着电力电子技术和产品换代更新，半导体开关器件性能不断提高，容量不断增大，成本不断降低。随着大规模集成电路和计算机技术的快速发展，现已有不少电机专用集成块，近几年出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的数字信号处理器DSP。集成电路和计算机技术的快速发展对永磁无刷电机控制技术起到有力的推动作用，为永磁无刷电机的发展提供了基础。

三、汽车雨刮永磁无刷电机的运用实例

永磁无刷直流电机是近年随着稀土永磁材料和电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机，随着汽车电子器件的迅猛发展，车用电控单元的日新月异，无刷直流电机在汽车电器设备中的应用受到越来越多的重视。永磁无刷直流电机具有调速范围宽、体积小、起动迅速、运行可靠、效率高、寿命长等优点，广泛运用于汽车电器。以下介绍汽车雨刮永磁无刷电机的运用实例。

汽车雨刷电动机是汽车用小型电动机的一种，主要用来带动刮水器的刷片刮刷汽车挡风玻璃上的雨、雪和尘土等脏物，保证驾驶员的行车安全。目前国产汽车上多采用气动刮水器，动力源为压缩空气，只有少数汽车上才采用电动刮水器。气动刮水器需用气泵，增加了发动机的损耗，且寿命短。当前国外几乎所有汽车上均采用电动刮水器，它的动力源为直流电动机。

雨刷电动机早期采用并激式或复激式直流电动机，结构复杂、造价高。目前几乎都采用永磁式直流电动机。雨刷电动机功率一般是4~150W，其中10W以下的电动机大多数带动一个刷片；15W以上的电动机都带动两个相同的刷片。雨刷电动机一般做成双速（少数的只有一个速度），分高速和低速两挡。为了减小电动机的体积，提高电机的输出功率，电动机本身转速不能做得太低，一般设计为2000~2500r／min，然后通过机械减速装置使电动机的转速达到技术条件规定的转速。减速装置的传动比一般在i= 40~70，采用一级蜗杆蜗轮减速或二级齿轮减速。通常电动机和减速装置做成一体。

雨刮器的动力源来自电动机，它是整个雨刮器系统的核心。雨刮器电动机的质量要求是相当高的。它采用直流永磁电动机，安装在前档风玻璃上的雨刮器电动机一般与蜗轮蜗杆机械部分做成一体。雨刮器总成含有电动机、减速器、四连杆机构、刮水臂心轴、刮水片总成等。一般情况下在汽车组合开关手柄上有雨刮器控制旋扭，设有低速、高速、间歇3个档位。雨刮器是由电机带动，通过连杆机构将电机的旋转运动转变为刮臂的往复运动，从而实现刮雨动作。一般接通电机，即可让雨刮器工作。通过选拔高速低速档，可以使电机的电流发生大小变化，从而控制电机转速，从而控制雨刮器的工作快慢。雨刮器电动机采用3刷结构以方便变速。间歇时间由间歇继电器控制，利用电机的回位开关触点与继电器电阻电容的充放电功能使雨刮器按照一定周期刮扫。当按下雨刮器的开关时，电动机启动，电动机的转速经过蜗轮蜗杆的减速增扭作用驱动摆臂，摆臂带动四连杆机构，四连杆机构带动安装在前围板上的转轴左右摆动，最后由转轴带动雨刮片刮扫挡风玻璃。手柄顶端是洗涤器按键开关，按下开关有洗涤水喷出，配合雨刮器洗涤档风玻璃。

一般接通电机让雨刮器工作。通过选拔高速低速档，可以使电机的电流发生大小变化，从而控制电机转速，从而控制雨刮器的工作快慢。汽车的雨刮臂有两个，电机一般是一个，称为“单机双臂”，也有每个雨刮器带一只电机，称为“单机单臂”。有些雨刮臂还附带胶水管，水管接至洗涤器上，按一下开关会有水注喷向前档风玻璃。在一些中高级轿车上，不但前后档风玻璃有雨刮器，就是前大灯也有一支小小的雨刮片，用以清除前灯玻璃上的尘埃。关闭雨刮器时，雨刮臂往往不停在适当的位置，阻碍驾驶员的视线。为解决这一问题，雨刮器设有一个回位开关，它控制雨刮器电机，当雨刮臂停在档风玻璃下的适当位置时，电机才会停止运转。

随着电子计算机的高速发展和数学规划理论的进一步完善，给电机设计提供了新的途经，即利用电子计算机进行优化设计，建立雨刷电动机的计算机辅助设计(CAD)系统。电机优化设计涉及三方面：建立精确的数字模型，确定设计变量、因变量及常量，建立目标函数，列出约束条件；选择最优化方法；选用高级算法语言，编成计算机程序，求得具体解答。雨刷电动机的优化设计在我国刚刚起步，目前国外基本上都采用电机的优化设计技术，有专门的CAD系统软件，这样才能设计出高质量、高性能和低成本的雨刷电动机。我国雨刷电动机的设计也必须向这个方向发展。

我国汽车雨刷电动机的磁钢采用铁氧体永磁材料与外国相比材料质量较差，主要是磁粉粒度不均，几何形状不规则，烧结时变形大，因而性能不稳定，结果同样功率的电动机体积比国外产品大。磁钢是雨刷电动机的关键部件，直接影响电机性能，提高磁性能的稳定性，每批磁钢的参数应一致。提高磁能积，特别是提高He值。近几年来，出现了一种新的永磁材料就是钕铁硼。该材料的最大磁能积可达318kJ/m，Br为1.1T，He为796kA/m，价格比稀土永磁材料低。

我国汽车雨刷电动机的生产与汽车工业是同步发展的。从产品上来说，中型卡车是气动刮水器，轻型车、吉普车及客车为电动刮水器。但从发展看，必然都采用电动刮水器。因此汽车雨刷电动机的产量将很大。为了满足国内需要，尚需努力。对于引进的轿车车型，我国的雨刷电动机不太适应，主要是永磁材料性能差，电机体积偏大，存在着一定的差距。国外电机设计均采用优化设计的CAD系统，我国雨刷电动机优化设计刚刚起步。国外电机机壳多为卷制工艺，我国多为拉伸工艺。国外转子动平衡多用计算机控制，自动去不平衡量。我国多用粘结剂加重不平衡量，粘结剂质量不高。国外电机用磁钢性能高，参数稳定，颗粒均匀，我国比较差。国外电机百分之百检测，计算机控制。我国多数厂家为抽检，手工测试。我国雨刷电动机的生产方兴未艾，生产厂家很多，但是多数厂家设备落后，工厂小而全，分散重复，需组织专业化生产。与国外相比，企业开发能力差，基本上处于来图加工和仿制阶段。电机设计还停留在手工核算阶段，必须进行电机优化设计，开发CAD软件系统。相信在将来，我国会把雨刷电机的质量、性能和产量搞上去，赶超世界先进水平。

四、永磁无刷电机的研开发和产业化大有可为

众所周知，微特电机应用领域非常广泛，随着信息化社会不断发展，微特电机的需要量也迅猛增加。现代微特电机需求量大,应用于各个领域,使用面广，人们可以通过一个家庭拥有微特电机数量的多少来衡量一个国家发展水平。据不完全统计，西方发达国家每个家庭平均拥有50~100台微特电机，我国大城市居民平均家庭拥有量大约在10~30台左右，具有庞大的潜在市场。微特电机的应用市场，一定程度上与社会发展水平相适应的。按照当前微特电机使用数量进行了排位：信息处理机器，约占31%；视听设备,占17%；汽车用微特电机占26%；家用电器占23%；工业机械和机器人、武器装备、轻工机械、农业机械、医疗设备、保健设备等用微特电机约占3%。

根据有关资料报道，从几个电子产品产量的预测数字，可以预测微特电机市场的巨大空间：未来全球PC产量1.89亿台；DVD录象机全球达到1400万台；手机全球产量达4.6亿台（国内1.3亿台）；数码相机全球产量5000万台，汽车电子产品出现快速发展。中国汽车年产量达2000万辆，可想其所需配套的微特电机数量相当可观。小家电市场正显示旺销态势：品种繁多的小家电已成为现代人生活的必需品，今后几年仍将是我国小家电发展的黄金时期，需求量每年以30%以上速度上升。据统计资料显示，目前一些发达国家的小家电产品近200种，而国内还不到100种，可开发的市场很大。我国是微特电机出口大国，国际微特电机市场大，可见微特电机的市场，无论国内、国外都存在巨大发展空间。

我国改革开放后，经济得到了迅速发展，但是，我国每生产价值一万美元的商品，消耗的原材料是日本的7倍，美国的6倍，甚至比印度还高2倍。我们消耗了全球30%的煤炭，27%的钢铁，25%的铝材和40%的水泥。我国已经成为世界第二大能源消费国，能源消费约占世界的11%，石油对外依存度已超过40%。为了落实科学发展观，建设节约型社会，国家发改委编制的中期能源节约规划中将永磁电机作为节能推广产品。因此应该积极加速各类永磁无刷电机的研究、开发和产业化。我国是稀土材料储藏大国，我们理应加强稀土永磁材料的应用研究，提高稀土材料的性能，改变目前稀土材料低价出售的局面，将丰富的资源变成高科技产品，实现科学发展观。我国使用的精密永磁交流伺服驱动控制系统绝大部份依赖进口，据不完全统计每年进口费用2亿美元左右，我们有责任迅速实现各类永磁无刷电机产业化，形成真正的商品，替代进口，改变依赖进口的局面，使我国不仅是微特电机生产大国，还要成为微特电机技术强国。

近几年我国企业大都投入大量资金进行技术改造，引进不少国外先进制造设备和测试设备，如有多台数高速冲床、各种先进的自动绕线机以及各种国外先进的检测设备，大大的提高了产品的质量和一致性。新产品开发能力有较大提升。有的民营企业已建立批量生产无刷电机生产线；不少公司都有批量生产振动马达生产线，有的民企建立了很大的家电用电机生产线、步进电机生产线，也有的企业建立了汽车电机生产线。为了降低生产微特电机成本，提高竞争力，微特电机生产日趋社会化分工，生产规模化、专业化是一个发展趋势。我国微特电机零部件专业化生产水平有长足进步，许多企业都引进和添置许多设备，以确保大批量生产的品质。

近年来，外资企业大量移师中国，为降低成本，都希望零部件就地化，这也大大促进我国微特电机零部件制造水平不断提升。许多外资微特电机企业纷纷移师中国内地，如日本万宝至、三洋、三协、电产、芝蒲、富士以及韩国天津三星、磁化、惠州友星等公司，这些公司在我国生产的产品档次也在不断提高。不少高档产品也移到我国生产，这就为我们提高产品档次创造条件。此外，许多应用小电机的整机厂家也纷纷迁入中国，比如移动通讯制造厂家摩托罗拉、诺基亚、三星、西门子、阿尔卡特、TCL、三洋、松下等公司；还有许多视听设备、家用电器、办公自动化设备、汽车等等厂家也不断在华投资办厂。我国已出现一批较高水平的零部件制造厂家。能制造转轴、换向器、含油轴承、精密滚珠轴承、电刷等等，产品除与国内配套外，还远销海外。

我国微特电机关键材料的自制能力不足，过去不少材料还要依赖国外进口。最近几年，这种状态有很大变化，相关一部材料都能自己生产，并形成一定规模。我国微特电机的生产设备和测试设备制造能力有明显提高，不少设备与国外备的差距逐步缩小，比如绕线机、高速冲床、动平衡机、点焊机、综合测试仪。充磁机、换向器精车机等等。在广东、上海等地已具有一定规模并在行业中有一定知名度的制造厂家。不少设备水平不断提高，价格远比国外设备低，具有很大实用性和竞争能力。微特电机行业是技术密集型、资金密集型、劳动密集型行业。中国人才资源充足，是发展微特电机行业的重要条件之一。无论是生产线上员工，还是新品开发人员、管理人员，在中国都有大批人才资源可供选择。面对全球化竞争，许多企业加快了国际化步伐，积极参与国际化经营，不断加大投资力度，形成一批具有竞争力的企业。

展望我国微特电机行业未来发展前景十分看好。应该说加快发展我国微特电机行业的发展机遇是存在，同时，也应该看到我国微特电机行业也面临许多挑战，如外资企业大量将微特电机生产基地移入中国大陆；微特电机用的主要原材料冷轧钢板、铜涨价；中国现阶段高端产品开发能力和制造能力还不足；外销产品也面临产品认证的挑战，整机对零部件认证要交给外方的供应商认证。可以说，加速发展我国微特电机行业的机遇与挑战并存。只要我国微特电机界同仁共同努力，许多困难是可以得到解决。应该充分看到发展我国微特电机行业的优势，我国有13亿人口，自身市场空间大，而且许多应用领域还有待于进一步开发，市场潜力大。只要采取科学对策和适当措施，加强内外资企业合作，发挥各自优势。外资企业有资本、技术、管理优势，而我国企业有劳动力、本土、产业基础优势。双方加强合作，有利于优势互补，实现双赢新局面。

随着全球微特电机产业的转移和扩张，我国已成为全球微特电机的主要生产基地和产业的主要承接地，专业化分工亦日趋明显。今后，随着我国经济改革不断深化，创造更加良好的投资环境，吸引世界各国更多微特电机制造厂家来华办企业或移入中国生产，扩大零部件本土化水平，这必将大大促进我国微特电机行业的迅速发展，也有利于尽快缩小我国与先进国这的差距。

永磁无刷直流电机是近年随着稀土永磁材料和电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机，直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速范围宽、低速性能好（启动转矩大、启动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高、应用场合从工业到民用（如家电、汽车等）场合极其广泛，被认为是21世纪最有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机。尤其随着汽车电子器件的迅猛发展，车用电控单元的日新月异，无刷直流电机在汽车电器设备中的应用受到越来越多的重视。由于其具有调速范围宽、体积小、起动迅速、运行可靠、效率高、寿命长等优点，人们开始将其运用于汽车缓速器的研制方面。由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。永磁同步电动机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。