更新时间：2024-09-21 13:23
无刷发电机（Brushless Generator）是一种利用电磁感应将机械能转化为电能的电机，通常由同步发电机、中频交流励磁机和旋转整流器组成。
1927年，O·伊里昂第一次提出关于应用旋转整流器向励磁绕组供电的建议。1940年，苏联E.T.科马尔提出了进一步发展电磁激励无接触同步电机建造方法的建议。20世纪50年代初期，无刷发电机开始实际应用于飞机电力系统。20世纪50年代中期，半导体硅整流器的成就开创无刷同步电机发展的新阶段。1955年，苏联A.N.别尔季诺夫提出更完善的科马尔无刷发电机设计线路。1960年，英国AEI公司制造出容量更大的无刷发电机，其无刷发电机产品最早应用于海船上，后又供海军舰队的军舰使用。同年，苏联在E.A.缅叶罗维奇和A.N.恰什尼可指导下制造出第一台带同步励磁机的无刷同步发电机。20世纪60年代起，美国在船舶电站中广泛运用带旋转整流器的无刷同步发电机。1979年，中国首家生产无刷发电机国有企业——福建省仙游电机总厂创建。1990年后，直流无刷电机逐渐替代有刷电机。2014至2019年，全球直流无刷电机的市场规模呈现逐年上升趋势。
无刷发电机与有刷发电机的根本区别是无刷发电机的磁场线圈固定在发电机后端盖上，不随转子旋转。由于无刷发电机不存在炭刷与滑环之间的磨损、烧蚀，从而大大降低故障率，减少维修保养的工作量，但其功率比有所下降。典型的无刷发电机结构由主发电机、交流励磁机、永磁发电机、旋转整流器和自动电压调节器这5个部分组成。无刷发电机可分为无刷交流发电机和无刷直流发电机。该设备可应用于电力、军事、航空、汽车、船舶等多个领域。
1927年，O·伊里昂第一次提出关于应用旋转整流器向励磁绕组供电的建议。伊里昂建议的价值在于，它第一次指出电磁激励同步发电机转子磁场无接触建立和励磁能量无接触变换问题的解决方法。无接触电磁激励同步电机的结构特点是励磁电路中没有炭刷，因此这种电机通常被称为无刷同步电机。但伊里昂无刷发电机线路的缺点是励磁调节和起始自励等问题没有得到解决。
1940年，苏联E.T.科马尔提出了进一步发展电磁激励无接触同步电机建造方法的建议。伊里昂和科马尔建议提出的建造无刷发电机的方案，由于整流装置发展水平不够，所以在相当长的时期内没有得到实际应用。20世纪50年代初期，无刷发电机开始实际应用于飞机电力系统。当时半导体整流器（特别是整流器）的重量尺寸、机械强度和温升等性能指标已经达到足够高的水平。1953年3月，美国西屋电气公司制造了两台功率分别为11和60千伏安的无刷发电机试验样机。这两台样机的线路建造采用了旋转硒整流器。在稳定状态和过渡状态（短路时）所进行的试验证实其工作能力。样机的设计按转速为4000~8000转/分，当转速提高到11000转/分时，发电机也能工作，旋转整流器无损伤。
与此同时，法国也在进行无刷发电机的研制工作。1955年，E·雷米公布了一种无刷同步发电机的专利。雷米线路的特点是采用所谓动力变压器作为励磁机。雷米发电机是伊里昂发电机的发展，同样存在着伊里昂发电机的缺点，并且由于采用了固体整流器，所以它的重量尺寸指标在航空领域无法被接受，因此当时未得到广泛应用。
20世纪50年代中期，半导体硅整流器的成就，开创了无刷同步电机发展的新阶段。1955年，苏联A.N.别尔季诺夫提出了更完善的科马尔无刷发电机设计线路，包括自励系统和他励德自动操纵励磁系统。这种线路与科马尔德区别是，同步励磁机德励磁绕组由旋转永磁三相同步发电机（副励磁机）供电。磁电式同步副励磁机德存在使发电机结构变得复杂一些，但这种线路满足全自动操纵原理，保证可靠德起始自励，并能得到良好德稳态和动态调压特性。
1955年，美国西屋电气公司利用硅整流器建造了一台适用于航空德带同步励磁机的无刷发电机，其线路接近于A.N.别尔季诺夫。除了主励磁系统和同步励磁机以外，发电机还带副励磁机。自1957年以后，带旋转整流器的发电机开始广泛应用，最初用于航空，后来用于船舶，再之后用于各个电力领域。1958至1959年，英国“英电”公司研制了两种供飞机用的无刷发电机。第一种把整流器硅元件配置在一个圆环上，该圆环固定在轴上。第二种与西屋公司的发电机一样，硅元件安置于周内。两种无刷同步发电机均带副励磁机——永磁同步电机。
1958年，英国“迈克费尔林”公司研制并着手生产功率10~150千伏安、转速1500转/分、频率50赫兹的无刷发电机。在这种电机中，为了便于检修，把整流器硅元件配置在轴伸端的轴承外侧。在覆盖硅元件的罩壳中，也安置着无接触的励磁调节器。之后，英国AEI公司制造出容量更大的无刷发电机。截至1960年，该公司生产了功率达1750千瓦的无刷同步发电机。该公司于1964年出的产品样本中介绍带同步励磁机和旋转整流器的无刷发电机系列，功率由50至8000千伏安，具有各重电压等级、频率、相数和转速。AEI公司制造的无刷发动机最早应用于海船上，如1960年该公司和伦敦“壳牌油轮”造船公司协作，在油轮“维里塞拉”设置了热带工作的无刷发电机，进行了实船试验和运行考验。从那时开始，无刷同步发电机日益广泛地应用于许多国家的船上。几年后，该公司的无刷发电机供海军舰队的军舰用。
苏联于1960年在E.A.缅叶罗维奇和A.N.恰什尼可指导下，制造出第一台带同步励磁机的无刷同步发电机，功率75千瓦，转速8000转/分，频率400赫兹。美国从20世纪60年代开始，在船舶电站中广泛运用带旋转整流器的无刷同步发电机。截至1963年，美国在建造飞机用和船用带旋转二极管的无刷同步发电机，以及工商业用同类型电机方面进行了大量工作。其中就包括美国斯图贝克尔公司生产的柴油发电机组系列和美国“马腊丰电”公司提供的无刷发电机系列。此外，无刷同步发电机在法国船上也广泛应用。法国制造的传播无刷同步发电机带有频率为100和150赫兹的同步励磁机。
1978年起，周志民主持了中国国家计经委批准的西门子股份公司型1FC5系列船用无刷发电机制造技术工作。他组织并参与了新型绝缘材料的研制，使国产的1FC5系列无刷发电机达到西门子同类产品的水平。1979年，中国首家生产无刷发电机的国有企业——福建省仙游电机总厂创建。其主要产品有五大系列无刷发电机和QD系列起动机。1982年，中国枫亭农械厂技术员试制成功真空泵无刷发电机，后又相继试制成功WJF14X型小体积无刷发电机、JFW19型大功率无刷发电机、带电子调节器整体式无刷发电机等，并完成无刷发电机产品系列开发。1990年后，直流无刷电机逐渐替代有刷电机。
2014至2019年，全球直流无刷电机的市场规模呈现逐年上升趋势。2019年直流无刷电机在精密电机市场中占据主导地位，市场规模约为达163亿美元。由于直流无刷电机在汽车马达中的便捷操作和节能性能，在汽车领域无刷电机还是被广泛重视。
无刷发电机与有刷发电机的根本区别是无刷发电机的磁场线圈固定在发电机后端盖上，不随转子旋转。有刷发电机的两个爪极相对压装在转子轴上，两爪极中间压装有在转子轴上的磁场线圈。无刷发电机只有一个爪极固装在发电机转子轴上，另一个爪极则用非导磁焊条焊装在前一个爪极上，当转子旋转时，一个爪极带动另一个爪极随转子转动。
无刷发电机磁场线圈绕在圆形托架上，托架用螺栓固装在后端盖上，磁场线圈同时套装在两爪极之中，但不随爪极而转动。
当打开点火开关后，起动发动机，接通磁场线圈电流后产生磁场，磁场回路由爪极铁心（磁轭）11→前爪极9→主气隙5→电枢铁心7→主气隙5→后爪极6→附加气隙3→托架2→附加气隙3→爪极铁心11。
无刷发电机不存在炭刷与滑环之间的磨损、烧蚀，从而大大降低了故障率和减少了维修保养的工作量。但这种发电机由于增加两个气隙，使功率比（单位质量发电机所发出的功率）有所下降。
典型的无刷发电机结构由主发电机、交流励磁机、永磁发电机、旋转整流器和自动电压调节器这5个部分组成。
无刷发电机属于旋转磁场式同步发电机的一种，不同于采用滑环和电刷引入磁场电流的有刷发电机，无刷发电机采用的是交流励磁机经旋转整流器给发电机励磁的方式。在单相无刷发电机中还有采用电容式逆序磁场励磁的无刷发电机。此外，永磁发电机也是一种无刷发电机，它利用永磁体剩磁励磁，因无励磁绕组损耗，效率高。在永磁发电机中又可分为直接输出工频电压的永磁发电机、经变频器将中频电压变为工频电压的永磁发电机和经整流器将交流电变为直流电的永磁发电机。
根据励磁系统方案的不同，无刷发电机可分为带交流励磁机（同步或异步）的、带变频机的、混合励磁（电磁铁和永磁铁混合）的、可控硅整流励磁的。
无刷交流发电机可分为爪极式、励磁机式、感应子式等不同类型。
爪极式无刷交流发电机的主要原理为，转子转动时，定子内形成交变的磁场，三相电枢绕组产生三相交流电动势，再经三相整流电路整流后输出直流电。它的主要缺点是磁轭托架与爪极和转子磁场之间有附加间隙，漏磁较多，因此输出功率较低。
以德国博世公司生产的T4型励磁机式无刷交流发电机结构为例，由无刷的普通交流发电机与专为其励磁的发电机所组成。励磁发电机简称励磁机，其磁极为定子，电枢为转子。当发电机转动时，励磁机电枢转动，其三相绕组产生电动势，通过内部整流电路整流后，直接供给发电机转子内的励磁绕组励磁发电。由于无附加气隙，励磁机式无刷交流发电机的输出功率大，而缺点是结构较为复杂。
感应子式无刷交流发电机的特点是转子由齿轮状钢片叠成，励磁绕组和电枢绕组均安防在定子槽内。当定子槽内的励磁绕组通入直流电后，在定子铁心中产生固定的磁场。由于转子有凸齿和凹槽，当转子转动时，转子与定子凸齿之间的气隙就会不断变化。转子凸齿正对定子凸齿时气隙最小而磁通量最大，转子凹槽正对定子凸齿时气隙大而磁通减小。因此，随着转子的转动，定子内的磁场呈脉动变化，电枢绕组便产生交变的感应电动势。感应子式无刷交流发电机的缺点是比功率较低。
无刷直流发电机可再细分为下述类别：三级式交流发电机与二极管整流桥组合成的无刷直流发电机、开关磁阻发电机、永磁直流发电机、双凸极直流发电机。
参考资料：
无刷励磁一般是指交流励磁机的励磁行驶，船用无刷发电机所采用的方式主要有以下两种：
励磁机的励磁功率，直接来自发电机的出线端。发电机起压时，由转子主磁极的剩磁在发电机电枢绕组中产生剩磁电压，这一剩磁电压通过自动电压调整期对交流励磁机的励磁绕组进行励磁，这样在交流励磁机的电枢绕组中感生出中频的中流电，经旋转整流器整流成直流，作为发电机磁场的励磁电流。这种励磁方式简单方便，但动态性能稍差。
可控复励励磁的特点是交流励磁机有两套励磁绕组。从电力电流互感器的副边获得与发电机负载电流成正比的二次电流，经整流桥向绕组提供适量的励磁功率；由发电机的出线端经过自动电压调整期AVR向另一个绕组提供一定的励磁功率（原理与直接可控励磁方式相同）。
无刷磁力发电机大多数都是作为无人管理的自动化电站电源，能可靠地使配电系统地保护装置动作，排除故障，提高自动化电站运行的可靠性。此外，在停电期间，无刷发电机还可用作家庭备用电源。
坦克装甲车辆的电气系统设计中，其辅机发电机一般为同步发电机，主要类别就包括爪极无刷磁力发电机。
数据中心的供配电系统中，其备用发电机组通常采用的是无刷磁力发电机，具有可靠性高、维护简单、寿命长、输出性能指标优异等特点。
由于交流系统的发展，促使直流电机开始朝无刷方向发展，无刷支流发电机和无刷支流电动机开始在飞机上得到实际应用。
带有电刷集电环结构的交流发电机易因电刷过渡磨损、电刷再电刷架中卡滞、电刷弹簧失效、集电环脏污等原因而使电刷与集电环接触不良，造成发电机不发电或发电不良的故障。无刷交流发电机可克服普通交流发电机的这一缺陷，因此再汽车上得到了应用。
市场方面，随着信息技术的快速发展，全球的无刷电机的供需都呈现了直线上升的趋势。据GrandviewResearch的数据显示，2027年全球市场规模将达到242亿美元左右。技术层面，由于无刷发电机在转动时会产生大量的电气噪音，这成为了它的缺点之一。此外，由于无刷电动机还额外需要一个电动控制器来保持发动机运转，导致其成本升高。
Brushless Generators vs. Brushed Generators.electricity-magnetism.2024-02-08
2020年全球无刷电机行业市场现状及发展前景分析 2027年市场规模将超270亿美元.前瞻产业研究所.2024-02-08
The Advanced Guide To Brushless Generator.Generators Zone.2024-02-08