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1.2无刷直流电动机国内外研究现状
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。对于正弦波的永磁同步电动机系统，国内目前还没有系列产品生产厂家。
国际上对无刷电动机进行了深入的研究，先后研制成功方波无刷电动机和正弦波直流无刷电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)。正弦波型永磁无刷直流电动机的反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要较为精密的转子位置信号。位置传感器机构较为复杂，成本较高，但其动作方法灵活，转矩波动小，一般用于伺服控制系。
从机械特性、过载能力、可控性、效率、成本、维护等方面对交流异步电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机作了定性比较，结果表明，无刷直流电动机和其它电动机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土磁材料性能的提高和价格的下降，这种优越性将更加明显。
现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电动机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电动机高效率的特点更显示了巨大的应用价值。
无刷直流电机转子采用了永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电动机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改变也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如：数控机床、机器人等应用中，无刷直流电动机比交流伺服电机和直流伺服电机更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛。
在先进工业国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机大部分已经逐步被淘汰。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家（如美国、英国、日本、德国等）的相关公司已经不再生产驱动用的有刷直流电动机。无刷直流电动机已在航空航天、工业自动化设备、办公自动化设备、电动车、医疗器械和计算机外围设备等方面获得了广泛应用。与此同时无刷直流电动机的应用也深入到了民用领域，其数量和品种都以相当快的速度发展。国
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外在高档的风扇中采用了无刷直流电动机，在新一代的空调、洗衣机、电冰箱、吸尘器等家用电器中，也大量采用无刷直流电动机来驱动，相比普通空调综合节电效果可达30%-40%。
由于无刷直流电动机所具有的优点和特点，从工业领域到家电、信息产品等消费品领域，无刷直流电动机正得到越来越广泛的应用，并具有十分巨大的发展潜力，然而由于无刷直流电动机是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件的发展，以及低成本高磁能的永磁材料的出现而发展起来的，相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，对其设计、控制方法等方面的研究仍处于不断的探索之中。因此，对无刷直流电动机本机及其控制方法进行、深入研究有着十分重要的理论和现实意义。
1.3无刷直流电动机的应用[1]
1.3.1在汽车中的应用
汽车上用无刷直流电动机的场合目前主要有车轮驱动、空调器压缩机、空调器鼓风机、净化器、抽气机。
（1）汽车净化器用无刷直流电机。 汽车净化器多采用直流无刷电动机带动离心式风叶，以排出污秽空气。电动机本体是根据电路方案来确定，常用二相桥式换相驱动电路。内定子绕组可以较方便地绕在铁心齿上。电机做成外转子式结构，定子和定子绕组放在转子内部。换相驱动电路采用专用集成电路（ASIC），电路简单，并有控制保护功能。
（2）汽车空调用无刷直流电动机
开发低压大电流型空调用无刷直流电动机可以解决原有刷直流电动机噪声大、寿命短及维护困难的缺点，提高电机运行性能。其额定电压为12伏，由于结构受到限制，给无刷直流电动机的设计增加了困难。定子为12槽结构，由于是低压大电流型，为了保护电流密度不致过高，采用双线并绕，以减小导线直径；转子为表面永磁粘贴式4极结构，永磁体选用稀土永磁材料钕铁硼，由于钕铁硼的剩磁和矫顽力都很高，充磁方向短，因此永磁体采用径向瓦片式。选用霍尔元件作为位置传感器，安装在电机盖端内表面，位置传感器磁场为轴向磁场。
（3）汽车用驱动无刷直流电动机
目前车辆驱动电动机类型大致可分为四类：直流电动机、交流电动机、无刷直流电动机、磁阻电动机等，进行综合评价，认为无刷直流电动机具有明显的优势。电动汽车的四个轮子分别有四个独立的轮式电动机直接驱动，采用逆变器进行电子换向，取消机械换向器和电刷，这种结构便于高速运行且在更换胎时不影响电动机本体。采用取消齿轮、直接驱动的外转子式电动机，是当今国际上车辆驱动用电动机中较为先进的方案。但是由于外转子式电动机的设计与车辆的车轮结构设计有直
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接紧密关系，因此，在目前国内外研制样车经费少，时间紧的情况下，许多厂家基本选用内转子式无刷直流电动机。
此外，盘式永磁无刷直流电动机低速下力矩大，在电动车辆中能够直接驱动前轮或后轮，从而省去了机械变速装置。具有轴向机构紧凑、安装方便、噪声低、运行可靠和无级调速的特点。其气隙磁场为轴向，定子绕组为辐射形排列的导体组成，转子由扇形的永磁体呈N，S交替形式安装在盘式磁轭中。该电机的关键制造技术在于盘式绕组的成形技术，其工序复杂，周期长，为提高生产效率，可以将作为绝缘填充材料的环氧树脂改为热固材料，采用加热模压工艺。 1.3.2在电动自动车中的应用
在电动自动车上应用的无刷直流电动机通常制成盘式电动机，安装在车轮的轮毂内，轮毂有辐条与车圈连接，直接带动车轮转动。定子是由定子铁心，电枢绕组及其引出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴的部分组成。定子铁心一般做成多对极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。绕组相数多取三相，并采用Y型连接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，即为三相半控驱动方式。另一类广泛用于电动自行车的是外转子永磁无刷直流电动机大多采用多极多槽、扁平结构。
无刷直流电动机应用于电动自行车，与有刷直流电动机相比具有以下优势：（1）寿命长、免维护、可靠性高。在无刷直流电动机中，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需要更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。（2）效率高、节能。一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的摩擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%，而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右，因此无刷直流电动机的优势明显。
1.3.3在电起动摩托车中的应用
目前电起动摩托车上的起动电机和磁电机是2台各自独立的电机，工作转速高（6000－14000r/min），需经减速机构和超越离合器与发动机曲轴连接；磁电机飞轮永磁转子与发动机曲轴直接相连，起到了发电和给发动机点火系统提供点火触发信号的作用。使用2台电机，发动机结构复杂，超越离合器打滑时会严重影响摩托车的起动特性；起动电机通过电刷换向，电刷磨损严重，需要经常维护。直流无刷起动磁电机是将直流无刷起动电机和磁电机合二为一，并将电子换向技术应用于起动
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电机。它剩掉了减速机构和超越离合器，有效地简化了发动机结构。提高了运行可靠性，将成为今后的发展主流。 1.3.4在家用电器中的应用
新一代空调器、电冰箱、洗衣机、吸尘器、热水器、搅拌器、电风扇等，使用无刷直流电动机可实现多功能自动操作、定时、定温和自然调节，按软件程序工作。提升家电产品的自动化程度，效率提高20%。例如全直流交速控制的高档空调器中用了5台无刷直流电动机，其中有压缩机、贯流风机、室外风机、排气风机和加湿机，综合节电效果比普通空调器节电30％－40％。近年来国内空调器厂家不断推出的“直流变频”空调器，就是应用了无刷直流电动机技术。这一领域市场需求潜力很大。
1.3.5在工业自动化设备领域的应用
如工业缝纫机用无刷直流电动机，其优点为可以实现正反转，快速启动与制动（100ms），定位精度高，过载能力大，振动低，同时实现工业缝纫机的自动返缝、自动割线和自动挑线3个自动功能。3个自动功能是通过电磁阀通断加以控制的，同时电磁阀的吸合动作有必须与针位置同步，为了实现针位同步，设计了一个针位传感器来控制，针位传感器有3个输出信号，上针位、下针位、切线电磁阀同步信号，这3个信号送到计算机8031后，就实现了3个自动化。目前我国研制成功了直径2mm无刷直流电动机，与国际同类电磁型电机相比，在总尺寸相近的条件下具有更大的力矩与效率；与静电型微电机相比，其力矩高出几个数量级；为解决微型机器人的动力源打好了基础。
此外，在高档数控加工设备、工业智能机器人、自动化生产流水线、自动纺织、包装、冶金等，采用无刷直流电机可以满足机械设备的高精度、高效率、高性能的要求。一些要求精度控制速度和位置的轻工机械中大多也采用无刷直流电动机。 1.3.6在精密电子设备和器械中的应用
如骨科医疗器械由于手术的需要，要求其动力系统能在较宽的范围连续变速，以适应铣缝、钻孔、锯等种场合的要求。而现有骨科医疗器械用驱动电机是单相交直流串励电机及电压调节器，其缺点是噪声大；由于电刷和换相器的存在，致使手术前无法消毒，给手术的效果造成一定的影响；同时需要定时更换电刷及电机维护。而应用无刷直流电机作为驱动系统后，具有底噪声、宽范围调速、体积小、重量轻等优点。
另外在计算机硬、软盘驱动、录像机鼓驱动、激光打印机、复印机、卫星上太阳能帆板驱动、仪用通风机、血液分析仪、医护监控设备等领域的应用正在逐步取
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代有刷电机。该类无刷直流电机尺寸小、加工精度高，属于技术密集型，其需求量巨大，目前主要有发达国家提供。 1.3.7其它领域的应用
无刷直流电机还广泛用于其它领域，如航空工业中美国制造驱动航天飞机升降副翼的12.6kw、9000r/min稀土永磁无刷直流电动机，效率为95%，仅重7.65kg；军事国防设备中的电传动装甲车辆和鱼雷大功率无刷直流电动机；稀土永磁无刷直流无齿电梯曳引机；稀土永磁无刷直流发电机等。
1.4无刷直流电动机的特点
与感应电动机相比，无刷直流电动机具有更大的功率密度，更高的效率和更好的性能，主要表现在以下几个方面；
（1）由于采用高性能永磁材料，无刷直流电动机转子体积得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度。更高的转矩/惯量比。
（2）由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷电动机具有较高的效率和功率密度。对于同等容量输出，感应直流电动机需要更大功率的整流器和逆变器。
（3）由于没有转子发热，无刷电动机不需要考虑转子冷却问题。
（4）尽管感应电动机系统应用较为普遍和成熟，但由于其非线性本质，控制系统极为复杂。永磁同步电动机把交流电动机复杂的磁场定向控制转化位置定向控制，而无刷直流电动机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制，也需要坐标变换。
与永久同步电动机相比，无刷支流电动机也具有明显的优势：
（1）无刷直流电动机采用方波电流供电，可以提供更高的转矩/体积比，相同条件下输出转矩大15%。
（2）在电动机产生梯形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比产生正弦波的磁场分布和正弦变化的电动势简单，因此无刷直流电动机结构简单、制造成本低。
（3）对于永磁同步电动机，由于定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置传感器，构造复杂，价格昂贵。
（4）产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，控制也简单得多，因此无刷直流电动机控制简单、控制器成本较低。
由于采用电力电子器件代替机械换相器，无刷直流电动机克服了有刷直流电动机的致命缺点。与有刷直流电动机相比，无刷直流电动机有以下特点；
（1）可靠性高，寿命长。他的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的无刷直流电动机工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动机寿命一般较短，