无刷电机的性能要求

无刷电机的性能要求

无刷电机已被广泛应用于家电、工业设备、汽车等众多领域。这种电机需要具备三个基本性能，即高效、安静且可靠性高。另外，还要有出色的可控性（根据需要运转的性能）和易用性等，但前面提到的三项是非常重要的基本性能。下面，我先来简单介绍一下相关性能的含义。

＜效率＞
据称，电机消耗的电量占全球用电量的一半左右，可见电机的用电量有多大，也正因为此，对电机效率的要求比其他耗电产品的要求要高。只要将电气产品中所用的众多零部件中的一个部件——电机的效率提高，就会降低该电气产品的功耗，从而使该产品成为节能、有助于减缓全球气候变暖的产品（产品价值提高）。

在“无刷电机的超前角控制（超前角调整）”中也提到过，电机效率不仅受电机结构的影响，还与电机控制息息相关。在这里我们会稍微具体地来了解一下效率。

＜静音＞
电机被用来驱动各种产品，但很多情况下，都要求这些产品有很好的静音性（低噪声）。因此，对于电机的静音性能而言，不仅降低电机本身发出的噪声很重要，抑制产品运行时产生的噪声也很重要。例如，听到夜间运行的空调、或平时常用的冰箱、洗衣机、电脑等发出的“嗡嗡”或“咔哒咔哒”等噪声，可能会让人感到不快和烦躁。

产生这些噪声的原因之一可能是电机驱动时绕组电流变化引起的转矩脉动。

＜可靠性＞
虽说家电等产品总有一天会坏，但我们不希望它们动不动就出问题。因此，使用寿命和有无早期故障关系到产品的可靠性。
另外，使用电气产品时发出的电气噪声有时也是问题。优异的可靠性包括确保不发生这些问题。在下一集中，我会从电机驱动器的角度来介绍可靠性。

本文的关键要点

・在120度驱动时，电磁体的磁场在速度和大小上均存在脉动并不断变化，因此总转矩也会发生脉动。

・要想抑制转矩脉动，只要使电磁体磁场的大小恒定且角速度恒定即可。

・这样的磁场可以通过PWM控制使驱动波形为正弦波状来实现，这种驱动方式称为“正弦波驱动（正弦波激励）”。

无刷电机的效率

首先，我们来了解一下什么是电机的效率。电机的效率计算公式如下。从公式中可以看出，效率是衡量相对于输入功率实现了多少输出的一个指标。

那么，什么是电机的输出呢？电机的输出是根据电机的转速和输出转矩计算出来的，该值乘以一个常数就得到了输出（输出功率）。这是通过下面的公式推导出来的。

解释一下这个公式。首先，“输出”的一般定义是“移动距离×作用力”。在电机等旋转体的情况下，该定义变为“周长（2πr）×转速（N(S)）×作用力（F）”。将该公式中的rF替换为电机转矩（T=rF），将 N(s)（*N(s)是每秒的转速）作为转速（N）（*N是每分钟的旋转次数），将2π/60作为常数（α），得到：α×T×N。其中α的值为0.1047。

接下来我们来看效率公式中的输入，输入（输入功率）是施加的电压和电流之积。

我们在此基础上来讲解电机的效率测试。用瓦特表测量输入，用转矩测试仪计和转速测试仪测量相关的值，并计算出输出功率，再根据这些数据计算出效率。

顺便提一下，在上一个主题中介绍了进一步提高电机效率的必要性，然后介绍了效率的定义，不过仅凭到现在为止的计算公式，大家可能很难理解通过哪些项目如何提高效率。我想大家通过公式已经看出，要提高效率就需要减少输入，但是却推导不出来通过什么方法来减少输入。那么下面来讲一下决定输入的因素。只有了解了这些决定因素，才能考虑提高效率的方法。 可以说电机的输入是由电机的输出和损耗之和决定的。当电机要产生输出时，就会伴随着损耗。也可以表述为“输入需要考虑加上损耗量”。

也就是说，只要能减少这种损耗，就能提高电机的效率。要想弄明白这个问题，我们还需要再详细一点了解电机的损耗。

无刷电机的损耗

影响电机效率的损耗主要分为下图所示的五大类。

电机的构件所产生的损耗有“铜损”、“铁损”、“机械损耗”。电机驱动电路所产生的损耗是“控制电路功耗”和“功率晶体管损耗”。下面我为大家逐一解释说明。

首先是电机构件产生的损耗。

 *这里给出的计算公式中，除了铜损计算公式外，其他公式可能还有不同的计算公式。 ＜铜损＞

铜损是电流流过绕组时产生的损耗。由于绕组主要使用的是铜线，所以称为“铜损”。绕组的电阻值与绕组规格（匝数和铜线线径）有关系。另外，电机产生转矩所需的电流因绕组规格而异，因此铜损因电机规格和输出状态而异。

＜铁损＞
铁损是磁通通过电机的铁芯时产生的损耗。该铁损是涡流损耗和磁滞损耗之和。

涡流损耗是铁芯内部的磁通量变化时产生的涡流带来的电阻损耗。这种涡流发生在阻碍磁通变化的方向上，所以会带来损耗。
磁滞损耗是铁芯磁化状态交变时产生的功率损耗。一旦铁芯被外部磁场磁化，即使移除外部磁场，铁芯仍然保留部分磁性。这种现象称为“剩磁”，其特性曲线图称为“磁滞曲线”。如果有剩磁，当施加极性相反的外部磁场来磁化铁芯时，就需要额外的功率来消除剩磁，而这会产生损耗。

＜机械损耗＞
主要是轴承的摩擦损耗。

接下来，我们来了解一下电路中的损耗。

＜控制电路功耗＞
控制电路消耗的功率。这里指的是控制IC、电平移位电路、霍尔器件等所消耗的功率（电平移位电路中还包括功率晶体管的驱动功耗）。与电机构件的损耗不同的是，无论电机的特性和输出状态如何，控制电路的功耗几乎是恒定的（*功率晶体管的驱动功耗有时取决于绕组电流）。

＜功率晶体管损耗＞
 向电机绕组供电的功率晶体管（这里以MOSFET为例）的损耗。该损耗是与晶体管的漏-源电压Vds和漏极电流Id有关的损耗，是开关损耗、导通电阻损耗和二极管损耗之和。

开关损耗是晶体管ON⇔OFF（导通和关断切换）时的损耗。在开关工作过程中，Vds和Id会发生下图所示的变化。每个状态的转换需要时间，另外电压和电流转换的时序也不同，而且它们同时具有值（施加电压时电流流动），所以会产生功耗。
导通电阻损耗是MOSFET导通时电阻的损耗。该值取决于导通电阻Ron和Id。

二极管损耗是电流流过MOSFET的寄生二极管时发生的损耗。该值由二极管导通电压VF和Id决定。

下面简单介绍一下这些电机损耗的测量方法。

使用下图所示的测量仪器配置可以轻松测量这些损耗。首先，将电机状态设置为测量损耗所需的转速和转矩，通过图中所示位置的两个瓦特表分别测量当时的电机输入和包括电路在内的输入。

于是，电机输入与电机输出之差就是电机构件的损耗，包括电路在内的输入与电机输入之差就是电路损耗。

接下来，我们来计算电机构件的具体损耗。铜损根据绕组电流和绕组电阻值计算出来的。机械损耗是在停止使用电机驱动器驱动电机的状态下，使用外部动力使电机转动时的转矩和转速来计算的。而电机构件的损耗减去铜损和机械损耗后的余数就是铁损。

希望确认电路的具体损耗时，可以将与控制电路连接的电源和与功率晶体管连接的电源分开，分别连接瓦特表进行测量。

基于这些与损耗相关的知识，我们可以考虑使用以下方法来减少各种损耗。这些是常见的电机设计中采用的方法示例。除此之外，还有通过提高永磁体的磁通密度来降低绕组电流（降低铜损和功率晶体管损耗）等从降低损耗的角度出发来开发电机的方法。

本文的关键要点

・电机效率是电机输出功率与输入功率之比。

・电机输出功率根据转速和输出转矩来计算。

・电机输入功率可以说是电机输出功率与损耗的总和，因此只要减少损耗，效率就会提高。

・损耗包括铜损、铁损、机械损耗、控制电路功耗、功率晶体管损耗。

・各项损耗都有其相应的削减方法，在设计电机时需要考虑到这些因素。