無刷發電機（Brushless Generator）是一種利用電磁感應將機械能轉化為電能的電機，通常由同步發電機、中頻交流勵磁機和旋轉整流器組成。
1927年，O·伊里昂第一次提出關于應用旋轉整流器向勵磁繞組供電的建議。1940年，蘇聯E.T.科馬爾提出了進一步發展電磁激勵無接觸同步電機建造方法的建議。20世紀50年代初期，無刷發電機開始實際應用于飛機電力系統。20世紀50年代中期，半導體硅整流器的成就開創無刷同步電機發展的新階段。1955年，蘇聯A.N.別爾季諾夫提出更完善的科馬爾無刷發電機設計線路。1960年，英國AEI公司制造出容量更大的無刷發電機，其無刷發電機產品最早應用于海船上，后又供海軍艦隊的軍艦使用。同年，蘇聯在E.A.緬葉羅維奇和A.N.恰什尼可指導下制造出第一臺帶同步勵磁機的無刷同步發電機。20世紀60年代起，美國在船舶電站中廣泛運用帶旋轉整流器的無刷同步發電機。1979年，中國首家生產無刷發電機國有企業——福建省仙游電機總廠創建。1990年后，直流無刷電機逐漸替代有刷電機。2014至2019年，全球直流無刷電機的市場規模呈現逐年上升趨勢。
無刷發電機與有刷發電機的根本區別是無刷發電機的磁場線圈固定在發電機后端蓋上，不隨轉子旋轉。由于無刷發電機不存在炭刷與滑環之間的磨損、燒蝕，從而大大降低故障率，減少維修保養的工作量，但其功率比有所下降。典型的無刷發電機結構由主發電機、交流勵磁機、永磁發電機、旋轉整流器和自動電壓調節器這5個部分組成。無刷發電機可分為無刷交流發電機和無刷直流發電機。該設備可應用于電力、軍事、航空、汽車、船舶等多個領域。
簡史
1927年，O·伊里昂第一次提出關于應用旋轉整流器向勵磁繞組供電的建議。伊里昂建議的價值在于，它第一次指出電磁激勵同步發電機轉子磁場無接觸建立和勵磁能量無接觸變換問題的解決方法。無接觸電磁激勵同步電機的結構特點是勵磁電路中沒有炭刷，因此這種電機通常被稱為無刷同步電機。但伊里昂無刷發電機線路的缺點是勵磁調節和起始自勵等問題沒有得到解決。
1940年，蘇聯E.T.科馬爾提出了進一步發展電磁激勵無接觸同步電機建造方法的建議。伊里昂和科馬爾建議提出的建造無刷發電機的方案，由于整流裝置發展水平不夠，所以在相當長的時期內沒有得到實際應用。20世紀50年代初期，無刷發電機開始實際應用于飛機電力系統。當時半導體整流器（特別是整流器）的重量尺寸、機械強度和溫升等性能指標已經達到足夠高的水平。1953年3月，美國西屋電氣公司制造了兩臺功率分別為11和60千伏安的無刷發電機試驗樣機。這兩臺樣機的線路建造采用了旋轉硒整流器。在穩定狀態和過渡狀態（短路時）所進行的試驗證實其工作能力。樣機的設計按轉速為4000~8000轉/分，當轉速提高到11000轉/分時，發電機也能工作，旋轉整流器無損傷。
與此同時，法國也在進行無刷發電機的研制工作。1955年，E·雷米公布了一種無刷同步發電機的專利。雷米線路的特點是采用所謂動力變壓器作為勵磁機。雷米發電機是伊里昂發電機的發展，同樣存在著伊里昂發電機的缺點，并且由于采用了固體整流器，所以它的重量尺寸指標在航空領域無法被接受，因此當時未得到廣泛應用。
20世紀50年代中期，半導體硅整流器的成就，開創了無刷同步電機發展的新階段。1955年，蘇聯A.N.別爾季諾夫提出了更完善的科馬爾無刷發電機設計線路，包括自勵系統和他勵德自動操縱勵磁系統。這種線路與科馬爾德區別是，同步勵磁機德勵磁繞組由旋轉永磁三相同步發電機（副勵磁機）供電。磁電式同步副勵磁機德存在使發電機結構變得復雜一些，但這種線路滿足全自動操縱原理，保證可靠德起始自勵，并能得到良好德穩態和動態調壓特性。
1955年，美國西屋電氣公司利用硅整流器建造了一臺適用于航空德帶同步勵磁機的無刷發電機，其線路接近于A.N.別爾季諾夫。除了主勵磁系統和同步勵磁機以外，發電機還帶副勵磁機。自1957年以后，帶旋轉整流器的發電機開始廣泛應用，最初用于航空，后來用于船舶，再之后用于各個電力領域。1958至1959年，英國“英電”公司研制了兩種供飛機用的無刷發電機。第一種把整流器硅元件配置在一個圓環上，該圓環固定在軸上。第二種與西屋公司的發電機一樣，硅元件安置于周內。兩種無刷同步發電機均帶副勵磁機——永磁同步電機。
1958年，英國“邁克費爾林”公司研制并著手生產功率10~150千伏安、轉速1500轉/分、頻率50赫茲的無刷發電機。在這種電機中，為了便于檢修，把整流器硅元件配置在軸伸端的軸承外側。在覆蓋硅元件的罩殼中，也安置著無接觸的勵磁調節器。之后，英國AEI公司制造出容量更大的無刷發電機。截至1960年，該公司生產了功率達1750千瓦的無刷同步發電機。該公司于1964年出的產品樣本中介紹帶同步勵磁機和旋轉整流器的無刷發電機系列，功率由50至8000千伏安，具有各重電壓等級、頻率、相數和轉速。AEI公司制造的無刷發動機最早應用于海船上，如1960年該公司和倫敦“殼牌油輪”造船公司協作，在油輪“維里塞拉”設置了熱帶工作的無刷發電機，進行了實船試驗和運行考驗。從那時開始，無刷同步發電機日益廣泛地應用于許多國家的船上。幾年后，該公司的無刷發電機供海軍艦隊的軍艦用。
蘇聯于1960年在E.A.緬葉羅維奇和A.N.恰什尼可指導下，制造出第一臺帶同步勵磁機的無刷同步發電機，功率75千瓦，轉速8000轉/分，頻率400赫茲。美國從20世紀60年代開始，在船舶電站中廣泛運用帶旋轉整流器的無刷同步發電機。截至1963年，美國在建造飛機用和船用帶旋轉二極管的無刷同步發電機，以及工商業用同類型電機方面進行了大量工作。其中就包括美國斯圖貝克爾公司生產的柴油發電機組系列和美國“馬臘豐電”公司提供的無刷發電機系列。此外，無刷同步發電機在法國船上也廣泛應用。法國制造的傳播無刷同步發電機帶有頻率為100和150赫茲的同步勵磁機。
1978年起，周志民主持了中國國家計經委批準的西門子股份公司型1FC5系列船用無刷發電機制造技術工作。他組織并參與了新型絕緣材料的研制，使國產的1FC5系列無刷發電機達到西門子同類產品的水平。1979年，中國首家生產無刷發電機的國有企業——福建省仙游電機總廠創建。其主要產品有五大系列無刷發電機和QD系列起動機。1982年，中國楓亭農械廠技術員試制成功真空泵無刷發電機，后又相繼試制成功WJF14X型小體積無刷發電機、JFW19型大功率無刷發電機、帶電子調節器整體式無刷發電機等，并完成無刷發電機產品系列開發。1990年后，直流無刷電機逐漸替代有刷電機。
2014至2019年，全球直流無刷電機的市場規模呈現逐年上升趨勢。2019年直流無刷電機在精密電機市場中占據主導地位，市場規模約為達163億美元。由于直流無刷電機在汽車馬達中的便捷操作和節能性能，在汽車領域無刷電機還是被廣泛重視。
工作原理
無刷發電機與有刷發電機的根本區別是無刷發電機的磁場線圈固定在發電機后端蓋上，不隨轉子旋轉。有刷發電機的兩個爪極相對壓裝在轉子軸上，兩爪極中間壓裝有在轉子軸上的磁場線圈。無刷發電機只有一個爪極固裝在發電機轉子軸上，另一個爪極則用非導磁焊條焊裝在前一個爪極上，當轉子旋轉時，一個爪極帶動另一個爪極隨轉子轉動。
無刷發電機磁場線圈繞在圓形托架上，托架用螺栓固裝在后端蓋上，磁場線圈同時套裝在兩爪極之中，但不隨爪極而轉動。
當打開點火開關后，起動發動機，接通磁場線圈電流后產生磁場，磁場回路由爪極鐵心（磁軛）11→前爪極9→主氣隙5→電樞鐵心7→主氣隙5→后爪極6→附加氣隙3→托架2→附加氣隙3→爪極鐵心11。
無刷發電機不存在炭刷與滑環之間的磨損、燒蝕，從而大大降低了故障率和減少了維修保養的工作量。但這種發電機由于增加兩個氣隙，使功率比（單位質量發電機所發出的功率）有所下降。
基本構造
典型的無刷發電機結構由主發電機、交流勵磁機、永磁發電機、旋轉整流器和自動電壓調節器這5個部分組成。
基本分類
無刷發電機屬于旋轉磁場式同步發電機的一種，不同于采用滑環和電刷引入磁場電流的有刷發電機，無刷發電機采用的是交流勵磁機經旋轉整流器給發電機勵磁的方式。在單相無刷發電機中還有采用電容式逆序磁場勵磁的無刷發電機。此外，永磁發電機也是一種無刷發電機，它利用永磁體剩磁勵磁，因無勵磁繞組損耗，效率高。在永磁發電機中又可分為直接輸出工頻電壓的永磁發電機、經變頻器將中頻電壓變為工頻電壓的永磁發電機和經整流器將交流電變為直流電的永磁發電機。
根據勵磁系統方案的不同，無刷發電機可分為帶交流勵磁機（同步或異步）的、帶變頻機的、混合勵磁（電磁鐵和永磁鐵混合）的、可控硅整流勵磁的。
無刷交流發電機
無刷交流發電機可分為爪極式、勵磁機式、感應子式等不同類型。
爪極式無刷交流發電機
爪極式無刷交流發電機的主要原理為，轉子轉動時，定子內形成交變的磁場，三相電樞繞組產生三相交流電動勢，再經三相整流電路整流后輸出直流電。它的主要缺點是磁軛托架與爪極和轉子磁場之間有附加間隙，漏磁較多，因此輸出功率較低。
勵磁機式無刷交流發電機
以德國博世公司生產的T4型勵磁機式無刷交流發電機結構為例，由無刷的普通交流發電機與專為其勵磁的發電機所組成。勵磁發電機簡稱勵磁機，其磁極為定子，電樞為轉子。當發電機轉動時，勵磁機電樞轉動，其三相繞組產生電動勢，通過內部整流電路整流后，直接供給發電機轉子內的勵磁繞組勵磁發電。由于無附加氣隙，勵磁機式無刷交流發電機的輸出功率大，而缺點是結構較為復雜。
感應子式無刷交流發電機
感應子式無刷交流發電機的特點是轉子由齒輪狀鋼片疊成，勵磁繞組和電樞繞組均安防在定子槽內。當定子槽內的勵磁繞組通入直流電后，在定子鐵心中產生固定的磁場。由于轉子有凸齒和凹槽，當轉子轉動時，轉子與定子凸齒之間的氣隙就會不斷變化。轉子凸齒正對定子凸齒時氣隙最小而磁通量最大，轉子凹槽正對定子凸齒時氣隙大而磁通減小。因此，隨著轉子的轉動，定子內的磁場呈脈動變化，電樞繞組便產生交變的感應電動勢。感應子式無刷交流發電機的缺點是比功率較低。
無刷直流發電機
無刷直流發電機可再細分為下述類別：三級式交流發電機與二極管整流橋組合成的無刷直流發電機、開關磁阻發電機、永磁直流發電機、雙凸極直流發電機。
技術參數
參考資料：
關鍵技術
無刷勵磁一般是指交流勵磁機的勵磁行駛，船用無刷發電機所采用的方式主要有以下兩種：
直接可控勵磁
勵磁機的勵磁功率，直接來自發電機的出線端。發電機起壓時，由轉子主磁極的剩磁在發電機電樞繞組中產生剩磁電壓，這一剩磁電壓通過自動電壓調整期對交流勵磁機的勵磁繞組進行勵磁，這樣在交流勵磁機的電樞繞組中感生出中頻的中流電，經旋轉整流器整流成直流，作為發電機磁場的勵磁電流。這種勵磁方式簡單方便，但動態性能稍差。
可控復勵勵磁
可控復勵勵磁的特點是交流勵磁機有兩套勵磁繞組。從電力電流互感器的副邊獲得與發電機負載電流成正比的二次電流，經整流橋向繞組提供適量的勵磁功率；由發電機的出線端經過自動電壓調整期AVR向另一個繞組提供一定的勵磁功率（原理與直接可控勵磁方式相同）。
應用領域
電力
無刷磁力發電機大多數都是作為無人管理的自動化電站電源，能可靠地使配電系統地保護裝置動作，排除故障，提高自動化電站運行的可靠性。此外，在停電期間，無刷發電機還可用作家庭備用電源。
軍事
坦克裝甲車輛的電氣系統設計中，其輔機發電機一般為同步發電機，主要類別就包括爪極無刷磁力發電機。
數據
數據中心的供配電系統中，其備用發電機組通常采用的是無刷磁力發電機，具有可靠性高、維護簡單、壽命長、輸出性能指標優異等特點。
航空
由于交流系統的發展，促使直流電機開始朝無刷方向發展，無刷支流發電機和無刷支流電動機開始在飛機上得到實際應用。
汽車
帶有電刷集電環結構的交流發電機易因電刷過渡磨損、電刷再電刷架中卡滯、電刷彈簧失效、集電環臟污等原因而使電刷與集電環接觸不良，造成發電機不發電或發電不良的故障。無刷交流發電機可克服普通交流發電機的這一缺陷，因此再汽車上得到了應用。
發展趨勢
市場方面，隨著信息技術的快速發展，全球的無刷電機的供需都呈現了直線上升的趨勢。據GrandviewResearch的數據顯示，2027年全球市場規模將達到242億美元左右。技術層面，由于無刷發電機在轉動時會產生大量的電氣噪音，這成為了它的缺點之一。此外，由于無刷電動機還額外需要一個電動控制器來保持發動機運轉，導致其成本升高。
參考資料 >
Brushless Generators vs. Brushed Generators.electricity-magnetism.2024-02-08
2020年全球無刷電機行業市場現狀及發展前景分析 2027年市場規模將超270億美元.前瞻產業研究所.2024-02-08
The Advanced Guide To Brushless Generator.Generators Zone.2024-02-08