无刷电机使用的技术（下）

这是博客文章“无刷电机使用的技术”的续篇。在本节中，我们将解释无刷电机的效率方面并将其与交流电机进行比较。

5.5 高效节能

根据IEA(国际能源署)发布的《2016年世界能源展望》，全球超过一半的电力消耗与电机有关。降低能耗是一个全球性问题，关于提高电机效率，国际标准 IEC 60034-30-1 定义了针对 120 W 至 1,000 kW 感应电机的效率等级。目前，已经建立了最高 IE4 的等级，但将引入 IE5 效率等级，据称可以将 IE4 电机的损耗降低 20%。请参考图 5.18。

内置永磁体的无刷电机不属于IEC 60034-30-1，但比三相交流感应电机效率更高，电机结合驱动电路效率超过IE5效率等级(预期值)。在此，我们将主要以东方电机的BMU系列产品为例，对无刷电机的降损技术进行说明。

5.5.1 电机损耗

损失类别如图 5.19 所示。电机损耗分为铜损、铁损、杂散负载损耗和机械损耗。一般来说，电机的大量损耗包括铜损和铁损。此外，电机越小，铜损所占的比例就越大，因此根据电机的尺寸采取有效的降低损耗对策很重要。

下面就损耗的主要种类和减少损耗的技术进行说明。

5.5.2 铜损

铜损是指电流流过铜线所造成的焦耳损耗，可用下式计算。

如式(5.4)所示，电流值和绕组电阻值越低，铜损越小。另外，由式(5.5)可知，导体截面积越大，绕线电阻值越低，铜损越低。因此，缠绕具有高占空比的粗铜线至关重要。铜线所占的槽截面积(定子与铜线绕组的截面面积)之比称为空间系数，该值越大，未使用的空间越少铜线绕组。

A。现值减少

由于定子产生的旋转磁场，当感应电流流过转子内部的笼型导体时，感应电动机会产生转矩。因此，绕组电流包含用于产生转矩的电流和用于产生感应电流的电流。此外，由于绕组电流和感应电流，铜损会出现在定子绕组和笼型导体中。

由于无刷电机在其转子中使用永磁体，因此不需要感应电流。由于只需要产生转矩的电流，因此与感应电动机不同，它们可以减少绕组电流。由于转子中没有铜损，定子绕组中的铜损可以减少，因此铜损比感应电动机少。

b. 降低绕组电阻值

近年来开发的无刷电机，包括 BMU 系列，使用了磁能积是传统钕粘结磁体的六倍的钕烧结磁体。由于来自转子磁铁的磁通密度增加，与具有相同输出功率的传统产品相比，线圈的匝数可以减少。

但是，由于磁通密度增加，需要扩大齿宽，如图5.21所示。为此，采用了不使用电机外壳的无框结构，加大了定子铁芯的外径，增大了槽面积。此外，还开发了增加线对准的技术。这些措施使得使用更粗的导体成为可能，从而降低了绕组电阻和铜损。

此外，增加的磁通密度不仅可以减少线圈的匝数，还可以缩短定子铁芯的长度。

BMU 系列采用高性能磁体，通过改进定子形状和绕组技术提高空间系数，与传统产品相比，定子铁心长度减半，铜损减少 11%。

5.5.3 铁损

铁损分为涡流损耗和磁滞损耗。由于磁通密度随时间变化并流经定子铁芯和转子铁芯，铁芯内会发生涡流损耗。磁滞损耗发生在交变磁化产生的磁化能量中。它们由以下公式表示。

如式(5.7)和(5.8)所示，与电机铁损相关的要素可分为：

由磁钢片材料决定的比例常数和电阻率

磁钢片的厚度

励磁频率、最大磁通密度和铁心质量，由电机设计决定

为了降低电机中的铁损，薄、铁损低、饱和磁通密度高、频率依赖性好的电磁钢板是理想的，但这些特性中的每一个都需要权衡。此外，由于需要考虑加工性和成本，使用哪些特性取决于所需的电机特性。关于设计相关的要素，需要优化所使用的磁铁以及铜损和铁损之间的平衡。

提示：磁滞损耗与涡流损耗

有关滞后损耗和涡流损耗的更多信息，请参阅设计世界的文章“滞后损耗和涡流损耗：有什么区别?” 关于运动控制提示。

BMU系列和BLE2系列新一代无刷电机采用高性能磁铁，定子长度为传统电机的一半，并与高性能磁钢片相结合，铁损降低50%。利用这些技术，BMU 系列的总长度比传统产品短 12% ，输出功率高 33%，效率高 7%。

5.5.4 杂散负载损耗

从电机总损耗中减去铜损、铁损和机械损耗后剩下的损耗就是杂散负载损耗。按照惯例，这被视为原因不明的损失。但是，近年来，随着分析技术的进步，杂散负载损耗作为漏磁通等引起的局部损耗开始出现。

5.5.5 机械损失

电机中的机械损失是指轴承、油封和其他机械接触区域的摩擦损失。一个例子是由于安装在大多数感应电机中的冷却风扇类型而导致的风阻损失。无刷电机损耗小，不需要内部冷却风扇，可以抑制机械损耗。

5.6 小型轻量化电机

无刷电机比三相交流电机更小更轻，同时仍提供相同的额定输出功率。电动机的额定输出功率是电动机在规格书规定的一定条件下，如环境温度、电源电压等条件下，连续运转时，所用部件(主要是绕组)的温升满足允许温度范围时的输出功率。

由于采用了“5.5 高效节能”中阐述的高效节能技术，无刷电机的电机损耗很小。电机的温升平衡了损耗和热量的释放，因此损耗越小，电机就可以越小。

图 5.23 显示了具有相同输出功率的无刷电机和三相交流电机的形状和损耗量的比较。

由于电机体积小、重量轻，因此机器也更小、更轻。特别是电池驱动的车辆，因为直接关系到车辆的续航时间，所以强调小型化和轻量化。

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审核编辑：汤梓红