本人见过太多太多关于直流无刷和永磁同步电机的误解了,今天我就要在这里把这个问题在中文世界给盖棺定论了。如果以后再有人争论BLDC和PMSM是什么东西有什么区别,请直接以我为准。保证准确无误。
直流无刷电机,英语叫BLDC motor(brushless direct current motor)
永磁同步电机,英语叫PMSM(permenant magnet synchronous motor)
直流无刷电机这一名词的由来
电机要转,电机绕组必须通过交变的电流,要使得定子的磁场永远是超前转子的磁场一步的。如果不超前,定子和转子的磁场对齐了,转子就转不动了,那么就没有扭矩产生了。那么如果你想在供电上省事,直接用直流电,那你就得有一个机械的换相器。(为什么要直流电?因为电池供电的话就是直流电,有刷电机曾经广泛运用于电动工具。更重要的是,记得交流电发明之前是电网是通过直流电输电的吗?当时,19世纪早期的时候,大多用的就是这种有刷电机来发电或者发动)这个电刷就是机械的换向器,电刷可以保证电机绕组中通过的永远是交变的电流。
但电刷有很多恶心的问题,现代的电刷一般是石墨做的,和铅笔有点像,磨着磨着就有小灰尘,甚至磨到后面直接磨没了就没法用了,那这灰尘即限制了电机的应用场景得是能耐粉尘的,又严重限制了电机的寿命。一个在那摩擦的东西,转速一高必然发热严重,转速也没法高。可见,有刷电机的存在,主要就是为了解决供电是直流电的问题。如果你有交流电供电,谁犯得着使用这个制造又复杂,寿命又差的有刷电机呢?(当然也有一些特定的场景不仅仅是因为直流才使用有刷的,这是题外话,这种场景很少见,可以忽略不计)
后来大家也就都知道了,因为电子元器件的发展,电子元器件价格变得很低了,和超强永磁体(也就是钕铁硼稀土永磁体)的普及,直流无刷电机问世并开始流行了。为什么要强调直流和无刷,因为他存在的目的就是为了取代(直流)有刷电机。我供电也是直流啊,但wokao电子元器件就可以实现电机的换相,电子元器件越来越便宜,那我为什么要用有刷呢?直流无刷电机逐渐取代了有刷电机,现在已经有刷电机已经越来越少,直流无刷这个曾经强调自己身份的名字还是流传了下来。
永磁同步电机名字的由来
要说永磁同步电机,也不能先说永磁同步电机,要先说感应电机,又称异步电机。
感应电机又称异步电机,是尼古拉斯·特斯拉在1887年发明的。其实感应电机的工作原理很复杂,相信电气专业学过电机课的同学都能懂,具体我就不对感应电机多作解释了。感应电机有两点比较重要的性质,那就是第一,感应电机没有励磁部分,即:他转子的磁场不是通过接外接电源通电或者永磁体产生的,而是靠定子磁场的感应电流产生的;第二,异步电机顾名思义,它具有异步性,即定子的磁场旋转速度和转子的旋转速度不一致,存在着速度差,而这个速度差越大,感应电机的扭矩也就越大。
为什么感应电机这个东西在工业中广泛运用呢?因为它使用起来实在是太方便了。正常工厂里电网都会有三相电,电网的三根火线往感应电机上线一接,电机就能转了,还可以根据负载大小自动调节转速,什么电气控制电路都不需要,皮实,稳定,耐操,只要轴承不坏,绝缘不出问题,感应电机用几万个小时很轻松。对于大部分只要能转就行的场合,是再合适了。但另一方面,因为接上电就能用的东西,速度和扭矩完全就是看负载的,可操控性是很差的,如果要让电机转到固定的某个位置,或者走某个轨迹,那更加是不可能的。(当然,我是说只接工频交流电的时候,如果电的输入是你自己控制的,那其实还是可以实现的,比如特斯拉电动车里的感应电机)
那对于一些要求高的场合怎么办?具体来说,我希望能控制电机的速度,电机的扭矩,电机的位置,怎么办?同步电机出现了。为啥叫同步电机?因为转子有励磁源,转子的磁场和转子的位置是固定的,那定子磁场只要超前转子磁场一点,转子就转起来了,那定子磁场永远相对于转子磁场,永远超前不多不少,就那么一点,它俩相对位置不变,转子和定子的磁场是同周期同步运行的,叫同步电机。那这样我们只要控制定子的磁场,那就想怎么控制就怎么控制。
那刚刚说了,转子磁场的励磁,也就是转子磁场的来源,可以是像电磁铁一样,通过通电实现的,也可以是通过永磁体实现的,那么用永磁体实现的就叫永磁同步电机了。为啥要用永磁体?Zui大的原因那当然是因为方便。你想想如果一个东西又要转,又提供一个相对自身(即相对于转子自身)不变的磁场,除了永磁体之外还有什么办法?以钕铁硼为代表的永磁体能量密度大,可以实现更高的扭矩。如果要通过通电,就算可以实现,能量密度低不说,通电产生大量浪费的焦耳热也是问题。
永磁同步电机,重点就是用了永磁,以及区别于感应电机(也就是异步电机),要强调同步性。为啥要强调同步性?因为异步电机比同步电机早普及。异步电机插上交流电就能用(那交流电哪里来?没错就靠异步电机反向输出就行了!),而同步电机还是得靠芯片等电子元器件来实现同步,人家18xx年上哪里去搞芯片去?
那直流无刷电机和永磁同步电机有啥区别?
实际上,无刷直流电机和永磁同步电机,从Zui基本的定义上,压根就难以放在一起讨论。无刷直流强调的是电机的供电源和电子换相,而永磁同步强调的是同步性和永磁励磁。一个讲电源,一个讲电机本身的固有属性。
就像你问,黑色的汽车和SUV汽车有啥区别?是不是有点像在讨论白马非马?
真的吗?
现实往往比想象中复杂。在我们实际工业界中,有一些不成文的规矩。
我们刚刚说了,直流有刷电机通过电刷换相,而电机转子上的换向器的某一个触电和电刷只有两种可能,那就是接触和不接触,只存在0和1的区别。那电机的绕组两端就会是开开关关的方波状态。
那直流无刷是为了取代有刷电机的,那自然地,把这个特性也保留了下来。直流无刷电机的控制器也就是简单的0和1的区别,开开关关就行了。那为了Zui大化利方波控制器的特性,电机的转子会设计成方波磁场的,那自然地会使用径向距离相等的磁铁。也就是等厚磁铁。那么电机的反电动势会趋于梯形波。(当然,完美的方波磁场和梯形波反电动势当然是不可能的,实际上磁场会发生一定程度的扭曲。也不是有了等厚的磁铁就一定意味着方波磁场。磁场的形状是很复杂的,还受别的设计因素影响。)
那同理,永磁同步电机一般是为了区别于异步电机,而驱动异步电机的可是三相交流电,而三相交流电是比较完美的正弦波,那我们驱动永磁同步电机也一般会用正弦波去驱动,那么为了Zui大化正弦波的利用效率,电机磁场也会被设计为正弦波磁场,而反电动势也随之具有正弦性。你会看到,有些PMSM磁铁采用不等厚的花瓣形,目的就是为了产生正弦性好的磁场。