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直流无刷电机电动执行器特点分析 将交流变频调速电机用于电动执行器，对于执行器的功能与性能有了空前的提高。电机的调速功能，不仅使执行器的运行速度可由用户根据自己的需要设置，由调速功能衍生出来的如“柔性开启”、“柔性关闭”等功能，则使执行器的性能有了更大的提高。随着电力电子，稀土永磁材料技术的发展，具有更高性价比的直流无刷调速电机，其技术已经十分成熟。将直流无刷电机用于电动执行器，不仅具有交流变频电机执行器的全部优点，更有许多交流变频电机不具备的功能和更优异的性能。 一、直流无刷电机的特点 1、调速范围更大，可达1：100以上。 2、调速精度不受电源电压、负载变化（200%内）等的影响，误差可控制在1rpm。 3、由于无需激磁电流，效率比交流电机高20%以上。 4、体积比同功率的交流电机小一个机座号。 5、由于永久磁铁不发热，整体温升较交流电机低约20℃。 6、输出力矩只与电压、电流的平均值有关。力矩检测电路简单，检测结果更精确。 7、可将断电时的电机动能回收用于制动，以实现无摩擦刹车。配合柔性关闭，可使执行器的定位精度大大提高（误差不大于±0.1%）。 8、启动力矩大。 9、驱动电路产生的电磁干扰、对电网的污染更小。 仅从电机运行的稳定性与寿命比较，直流无刷电机与交流感应电机（交流变频电机）基本相当。但直流无刷电机启动力矩大，温升小，可靠地能量回收式无摩擦制动，易于实现力矩控制，驱动电路简单可靠性高，低成本，电磁辐射和对电网污染小，可频繁启停等特点，比交流变频电机更适合作为电动执行器的动力。美国能源部对各种调速电机的性能作对比后给了直流无刷电机“三高”（高效率，高精度，高转矩）的评价。因此直流无刷电机是目前高端电动执行器的最佳动力选择。 我国目前已可生产400KW以下，各种电压的直流无刷电机。所使用的高密度永磁材料温度可达200℃，矫顽力大于1033KA/m。常用的转子位置检测霍尔器件，温度也可达150℃。这就保证了直流无刷电机具有足够高的环境适应能力。 二、直流无刷电机的电气及机械特性 1、电气特性 电机的电气特性主要包括启动特性与工作特性。启动特性是指电机启动瞬间转速与电流间的关系。工作特性是指电机的输出转矩与电枢电流之间的关系。 直流无刷电机的电枢绕组电动势平衡方程如下： U=E+IsRs+ΔU (1-1) 其中U为供电电压；E为定子绕组的反电势；Is为通过绕组的电流； Rs为绕组的电阻；ΔU为驱动电路开关管的饱和压降。 反电势E可表示为： E=Ken （1-2） Ke为反电势常数；n为电机转速。 将（1-2）代入（1-1）式，整理可得： Is=（U- Ken -ΔU）/Rs (1-3) 由（1-3）式可见，当供电电压不变时，电机转速越高，反电势越大，电流越小。在电机启动时转速为零，则启动电流： Iq=（U-ΔU）/ Rs。 （1-4） 可见电机在启动瞬间，由于反电势为0，所以启动电流远大于正常工作电流。 根据式（1-3），可给出电机启动时电流与 转速的变化曲线（图1-1）。 电机的电磁转矩M可表示为： M=KmIs (1-5) Km 为电磁转矩常数。 (1-5)式表明电机的电磁转矩与电流成正比。因此电机在启动和堵转时的电磁转矩最大。 电机的输出转矩Mt : Mt=M-Mo Mo为电机的摩擦阻力矩。 2、机械与调速特性 机械特性是指电机的供电电压不变，电机的转速和电磁转矩间的关系。 将(1-3)代入（1-5）式，可得： （1-6） 如果上式中的供电电压U，反电势系数Ke，绕组电阻Rs不变时，电机的电磁转矩只与转速有关。即转速下降，转矩增加。 根据式（1-6），给出图（1-2）所示的机械特性曲线。从此机械特性曲线可知： A、电机转矩最大为启动和堵转时的转矩。 B、在同一转速下，改变供电电压，可以改变输出转矩。 C、在负载力矩不变的情况下，改变供电电压，可改变电机转速。 在电机的驱动电路中，以PWM手段改变供电电压的平均值，在负载力矩不变的情况下，可实现平稳地调速。 从以上分析可知，直流无刷电机的电气、机械特性完全符合电动执行器对电机性能的要求。直流电机的力矩与工作电流和供电电压成很好的线性关系，使得执行器的力矩检测与控制电路简单可靠，精度更高。直流电机在启动瞬间和堵转时的反电势为零， 所以电流很大。与交流电机不同，直流电机在启动和堵转时流过电枢的电流只与线圈电阻有关（不存在感抗），因此启动电流/力矩和堵转电流/力矩均大于同功率的交流电机