這是博客文章“無刷電機使用的技術”的續(xù)篇。在本節(jié)中，我們將解釋無刷電機的效率方面并將其與交流電機進行比較。

5.5 高效節(jié)能

根據(jù)IEA(國際能源署)發(fā)布的《2016年世界能源展望》，全球超過一半的電力消耗與電機有關。降低能耗是一個全球性問題，關于提高電機效率，國際標準 IEC 60034-30-1 定義了針對 120 W 至 1,000 kW 感應電機的效率等級。目前，已經建立了最高 IE4 的等級，但將引入 IE5 效率等級，據(jù)稱可以將 IE4 電機的損耗降低 20%。請參考圖 5.18。

內置永磁體的無刷電機不屬于IEC 60034-30-1，但比三相交流感應電機效率更高，電機結合驅動電路效率超過IE5效率等級(預期值)。在此，我們將主要以東方電機的BMU系列產品為例，對無刷電機的降損技術進行說明。

5.5.1 電機損耗

損失類別如圖 5.19 所示。電機損耗分為銅損、鐵損、雜散負載損耗和機械損耗。一般來說，電機的大量損耗包括銅損和鐵損。此外，電機越小，銅損所占的比例就越大，因此根據(jù)電機的尺寸采取有效的降低損耗對策很重要。

下面就損耗的主要種類和減少損耗的技術進行說明。

5.5.2 銅損

銅損是指電流流過銅線所造成的焦耳損耗，可用下式計算。

如式(5.4)所示，電流值和繞組電阻值越低，銅損越小。另外，由式(5.5)可知，導體截面積越大，繞線電阻值越低，銅損越低。因此，纏繞具有高占空比的粗銅線至關重要。銅線所占的槽截面積(定子與銅線繞組的截面面積)之比稱為空間系數(shù)，該值越大，未使用的空間越少銅線繞組。

A?，F(xiàn)值減少

由于定子產生的旋轉磁場，當感應電流流過轉子內部的籠型導體時，感應電動機會產生轉矩。因此，繞組電流包含用于產生轉矩的電流和用于產生感應電流的電流。此外，由于繞組電流和感應電流，銅損會出現(xiàn)在定子繞組和籠型導體中。

由于無刷電機在其轉子中使用永磁體，因此不需要感應電流。由于只需要產生轉矩的電流，因此與感應電動機不同，它們可以減少繞組電流。由于轉子中沒有銅損，定子繞組中的銅損可以減少，因此銅損比感應電動機少。

b. 降低繞組電阻值

近年來開發(fā)的無刷電機，包括 BMU 系列，使用了磁能積是傳統(tǒng)釹粘結磁體的六倍的釹燒結磁體。由于來自轉子磁鐵的磁通密度增加，與具有相同輸出功率的傳統(tǒng)產品相比，線圈的匝數(shù)可以減少。

但是，由于磁通密度增加，需要擴大齒寬，如圖5.21所示。為此，采用了不使用電機外殼的無框結構，加大了定子鐵芯的外徑，增大了槽面積。此外，還開發(fā)了增加線對準的技術。這些措施使得使用更粗的導體成為可能，從而降低了繞組電阻和銅損。

此外，增加的磁通密度不僅可以減少線圈的匝數(shù)，還可以縮短定子鐵芯的長度。

BMU 系列采用高性能磁體，通過改進定子形狀和繞組技術提高空間系數(shù)，與傳統(tǒng)產品相比，定子鐵心長度減半，銅損減少 11%。

5.5.3 鐵損

鐵損分為渦流損耗和磁滯損耗。由于磁通密度隨時間變化并流經定子鐵芯和轉子鐵芯，鐵芯內會發(fā)生渦流損耗。磁滯損耗發(fā)生在交變磁化產生的磁化能量中。它們由以下公式表示。

如式(5.7)和(5.8)所示，與電機鐵損相關的要素可分為：

由磁鋼片材料決定的比例常數(shù)和電阻率

磁鋼片的厚度

勵磁頻率、最大磁通密度和鐵心質量，由電機設計決定

為了降低電機中的鐵損，薄、鐵損低、飽和磁通密度高、頻率依賴性好的電磁鋼板是理想的，但這些特性中的每一個都需要權衡。此外，由于需要考慮加工性和成本，使用哪些特性取決于所需的電機特性。關于設計相關的要素，需要優(yōu)化所使用的磁鐵以及銅損和鐵損之間的平衡。

提示：磁滯損耗與渦流損耗

有關滯后損耗和渦流損耗的更多信息，請參閱設計世界的文章“滯后損耗和渦流損耗：有什么區(qū)別?” 關于運動控制提示。

BMU系列和BLE2系列新一代無刷電機采用高性能磁鐵，定子長度為傳統(tǒng)電機的一半，并與高性能磁鋼片相結合，鐵損降低50%。利用這些技術，BMU 系列的總長度比傳統(tǒng)產品短 12% ，輸出功率高 33%，效率高 7%。

5.5.4 雜散負載損耗

從電機總損耗中減去銅損、鐵損和機械損耗后剩下的損耗就是雜散負載損耗。按照慣例，這被視為原因不明的損失。但是，近年來，隨著分析技術的進步，雜散負載損耗作為漏磁通等引起的局部損耗開始出現(xiàn)。

5.5.5 機械損失

電機中的機械損失是指軸承、油封和其他機械接觸區(qū)域的摩擦損失。一個例子是由于安裝在大多數(shù)感應電機中的冷卻風扇類型而導致的風阻損失。無刷電機損耗小，不需要內部冷卻風扇，可以抑制機械損耗。

5.6 小型輕量化電機

無刷電機比三相交流電機更小更輕，同時仍提供相同的額定輸出功率。電動機的額定輸出功率是電動機在規(guī)格書規(guī)定的一定條件下，如環(huán)境溫度、電源電壓等條件下，連續(xù)運轉時，所用部件(主要是繞組)的溫升滿足允許溫度范圍時的輸出功率。

由于采用了“5.5 高效節(jié)能”中闡述的高效節(jié)能技術，無刷電機的電機損耗很小。電機的溫升平衡了損耗和熱量的釋放，因此損耗越小，電機就可以越小。

圖 5.23 顯示了具有相同輸出功率的無刷電機和三相交流電機的形狀和損耗量的比較。

由于電機體積小、重量輕，因此機器也更小、更輕。特別是電池驅動的車輛，因為直接關系到車輛的續(xù)航時間，所以強調小型化和輕量化。

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審核編輯：湯梓紅