電動摩托車用小型電機的種類、特性介紹

1、電動摩托車用小型電機的種類、特性報告電動機是電動摩托車的一個重要部件，目前在電動摩托車驅(qū)動領域， 主要有直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)、交流永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)應用范圍比交廣泛。1直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)直流電機的工作原理下圖為直流電動機的物理模型，N、S為定子磁極，abed是固定在可旋轉(zhuǎn)導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨電樞一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。換向片與電刷滑動接觸。把電刷A、B接到直流電源上，電刷 A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將有電流流過，根據(jù)左手

2、定則，電樞逆時針旋轉(zhuǎn)。當電樞旋轉(zhuǎn)幾何中性線時，F(xiàn)=0,電樞由于慣性繼續(xù)運轉(zhuǎn)。取下圖所示位置，原N極性下導體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導體ed轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左，該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)，直流電動機在直流電源作用下轉(zhuǎn)動起來。直流電機的數(shù)學方程電樞中感應電動勢電樞中通入直流電流后，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機在磁場中轉(zhuǎn)動。 而通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，又會在線圈中產(chǎn)生感應電動勢E。感應電動勢為：E Ke n式中，Ke與電機結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)；電機每極磁通量， Wb ;n電機轉(zhuǎn)速，r/min。電樞電壓方程如圖所示，U E I a

3、Ra式中，U外接電源電壓，V ； Ia電樞電流，A ； Ra電樞電阻，Q。電磁轉(zhuǎn)矩方程T Kt IaRa式中，T 電磁轉(zhuǎn)矩，Nm ;Kt 與電機結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。直流電機的機械特性直流電機按照勵磁方式可分為兩種，永磁式和電勵磁式。電磁式是由磁性材料提供磁場；®串勵心他功并勵復勵組的連接關(guān)系，勵磁式的直流電機可以分為：串勵電機、他勵電機、并勵電機、復勵電機。串勵直流電機的機械特性 串勵直流電機數(shù)學模型：E Ke nT Kt IaU E la(Ra Rf)K la式中，Rf串勵繞組電阻，Q。K CD勵磁系數(shù)。由此可推出：JKTuRa RfnKE K T KeK這種勵磁方式的特點是：當電壓U

4、定時，隨負載轉(zhuǎn)矩的增大，n下降很快，電機不會因為負載增大而過載，但當負荷趨于0時，轉(zhuǎn)速n趨于無窮，故串勵直流電機不能空載運行。他勵直流電機的機械特性當勵磁電流一定時，磁通為常數(shù)，點擊的數(shù)學模型為:電勵磁式是由磁極上繞線圈，在線圈中通入直流電， 來產(chǎn)生電磁場。根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞E Ke nT Kt laU E laRaURa 丁由此可推出：n TKeKeKt這種勵磁方式的特點是：在電樞電壓一定時，由于他勵電機的電樞電阻Ra很小，所以在負載轉(zhuǎn)矩變化時， 轉(zhuǎn)速n的變化不大，電機特性也較硬。 永磁直流電機和并勵電機也有類 似的機械特性。復勵直流電機的機械特性他勵直流電機的機械特性很硬，串勵直流電機的

5、機械特性很軟，復勵直流電機可以結(jié)合兩者的特性。如果串勵繞組的磁勢與并勵繞組的磁勢方向相同，叫積復勵直流電機； 方向相反，叫差復勵直流電機。積復勵直流電機的機械特性可以借鑒他勵式的機械特性方程，曲線的形狀取決于串勵磁勢的強弱。UnKeRaKeKt2T則電機的總勵磁磁通為：B C，其中并勵磁通為 B，串勵磁通為B。直流電機驅(qū)動系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調(diào)速、過載能力強、系統(tǒng)可靠性好，但是由于需要換向器(整流子)和電刷，存在著機械磨損，影響了電機的效率。2交流永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)交流永磁電機主要包含兩大類：永磁同步電機(Permanent Mag net SynchronousMotor,PMSM)和無

6、刷直流電機(Brushless DCMotor,BDCM)。兩者最主要的區(qū)別在于永磁體 勵磁磁場在定子相繞組中感應出的電動勢波形：PMSM每相感應出的電動勢波形為正弦波，而BDCM為梯形波，如圖所示：永磁同步電機(Perma nent Mag net Synchronous Motor,PMSM )永磁同步電機是用永磁體取代繞線式同步電機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線 圈、滑環(huán)和電刷，定子中通入三相對稱交流電。由于電機定子三相繞組接入三相對稱交流電而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，根據(jù)磁極異性相吸、同性相斥的原理， 不論定子旋轉(zhuǎn)磁極與永磁轉(zhuǎn)子起始時的相對位置如何，定子的旋轉(zhuǎn)磁極由于磁拉力拖著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，同

7、步電機轉(zhuǎn)速可表示為:n竺Pn 式中，f s為電源頻率；pn為電機極對數(shù)。永磁同步電機系統(tǒng)以其高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度等特點在電動車電驅(qū)動系統(tǒng)中具有很高的應用價值。 但是由于電動車的復雜運行工況造成的電機參數(shù)隨溫度、轉(zhuǎn)速等因素的變化對系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生很大的影響。無刷直流電機(Brushless DC Motor,BDCM )221無刷直流電機工作原理無刷直流電機是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電機的定子磁極，將原直流電機的電樞變?yōu)槎ㄗ印Ｓ兴⒅绷麟姍C是依靠機械轉(zhuǎn)向器將直流通入到轉(zhuǎn)子繞組上，顛倒原直流電機定、轉(zhuǎn)子和采用永磁體的好處是省去了機械換向器和電刷，消除了機械磨損，提高了功率密度。無刷直

8、流電機的位置傳感器、控制電路以及功率開關(guān)器件組成的換向裝置，使得無刷直流電機在運行過程中由定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的永磁磁場，在空間中始終保持90°的電角度。下面以三相星形繞組半控橋電路加以說明無刷直流電機工作原理。圖中，3個光電位置傳感器VP1、VP2、VP3的安裝位置各相差 120°，VI、V2、V3是三個功率管。當 VP1為高電 平時，V1導通，電流流入A-A'，在定轉(zhuǎn)子相互磁場的作用下使轉(zhuǎn)子的磁極按照順時針方向 轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120°后，VP2為高電平，VP1為低電平，從而使 V1截止，V2導通，電流 從繞組A-A'斷開而

9、流入 B-B'，轉(zhuǎn)子磁場的作用下照順時針方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動120。后，VP3為高電平，VP2為低電平，從而使 V2截止，V3導通，電流從繞組 C-C'流入。由此可見， 是位置傳感器實現(xiàn)了各相繞組電流的換向。無刷直流電機數(shù)學模型(1 )電壓方程假設磁路不飽和， 不計渦流和磁損耗， 三相繞組完全對稱，則三相繞組的電壓平衡方程可表示為：Uar0 0 iaLM MiaeaUb0r 0 ibML M P ibebUc00 r icMM Licec式中：Ua,U b,U c-定子相繞組電壓（V）;i a,ib,ic-定子相繞組電流（A）；ea,e b,e c-定子相繞組電動勢（V）；r定子三相繞

10、組（Q ）; L每相繞組的自感（H； M繞組間的互感（H）;p微分算子（d/dt ）。由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化,因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當三相繞組為Y連接且沒有中線時，則有:ia ibic0故而有:Uar00iaUb0r0ibUc00ric0i aea0 P ibebL Micec因此可以得到無刷直流電機的等效電路圖，如下圖:RlbL-ML-ML-M&Eb氐（2 ）轉(zhuǎn)矩方程永磁無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子繞組中的電流與轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁場相互作 用而產(chǎn)生的，定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為電磁轉(zhuǎn)矩為：T （eaia ebib eJc）.,3為電機轉(zhuǎn)子的角速度。在每相繞

11、組感應電動勢和電流同相位的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩又可以表示為：T Kt Im式中，Kt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；為電機每極氣隙磁通量;I m為定子繞組各相電流的幅值。223無刷直流電機的運行特性分析電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械，對于無刷直流電機，其電勢平衡 方程式為：U E 1 aveRaveU式中：U為電源電壓（V）；E為電樞繞組反電勢（V）;lave為平均電樞電流（A）；Rve為電樞繞組的平均電阻（Q ）； U為功率器件的飽和管壓降（V）。（1）起動特性：由于此時反電動勢為零，電樞電流為（U U ） Rave ,其值可為正常工作電流的幾倍到幾十倍，所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動機可以很快起動。隨

12、著轉(zhuǎn)子的加速，反電動勢增加， 電磁轉(zhuǎn)矩減小，最后進入正常工作狀態(tài)。（2 ）電動運行特性：電磁功率和轉(zhuǎn)矩是正的，為電動性質(zhì)。對功率管進行脈寬調(diào)制，改變占空比，就可以控制電流的平均值，從而控制平均轉(zhuǎn)矩。無刷直流電機外特性曲線類似于永磁直流電機，特性較硬，由于沒有電刷和換向器，所以可以在高速下運行，這樣電機的體積可縮小，重量減小，提高了可靠性，而且無刷直流電機的控制相對簡單，這對于電動車驅(qū)動來講很有意義。3 開關(guān)磁阻電動機（Switched Relucta nee Motor ）隨著現(xiàn)代大功率半導體開關(guān)器件和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，才使開關(guān)磁阻電機驅(qū)動技術(shù)以高效率、高可靠性和一種新型機電一體化、具有軟啟

13、動特性的調(diào)速傳動技術(shù)面貌出現(xiàn)。開關(guān)磁阻電動機工作原理開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)簡單，為定、轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，定子中裝有集中繞組，一般徑向相對的兩個繞組串聯(lián)成一相。開關(guān)磁阻電動機是根據(jù)磁場力原理工作的，如圖所示，四相（8/6）開關(guān)磁阻電動機是由有繞組的8極定子和無繞組的 6極轉(zhuǎn)子構(gòu)成，當沿徑向相對的2個定子極通以直流電， 形 成一個磁場。該磁場使對應的一對轉(zhuǎn)子磁極受力旋轉(zhuǎn)與定子磁極中心線重合，開關(guān)磁阻電動機運行原理遵循“磁阻最小原理”一一磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵芯在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。當定子D-D 極勵磁

14、時，所產(chǎn)生的磁力是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子軸線1-1 '與定子極軸線D-D 重合的位置，并使D相勵磁組的電感最大，若依次給A t BT C相繞組通電，轉(zhuǎn)子會按勵磁順序以 逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給 BTAT DT C相繞組通電，轉(zhuǎn)子會按勵 磁順序以順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此通 過可控制加到開關(guān)磁阻電動機繞組中電 流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對 位置，即可控制開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)矩的 大小和方向。if開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)主要由四部分組成 ：SR電機本體、功率變換器、控制器及位置和電流檢測器。它們之間的關(guān)系如圖1所示：illf矗出X1«-1戸1 U IJtJIR

15、XV1 11JL11111rIIJtoII11iSRD開關(guān)磁阻電機的運行特性開關(guān)磁阻電機運行速度低于3 fc（第一臨界速度）的范圍內(nèi)，為了保證 Y max和i不超過允許值，采用改變電壓、導通角和觸發(fā)角三者中任一個或任兩個，或三者同時配合控制。當開關(guān)磁阻電機在高于 3 fc范圍運行時，在外加電壓、導通角和觸發(fā)角都一定的條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，磁鏈和電流將下降， 轉(zhuǎn)矩則隨著轉(zhuǎn)速的平方下降 （如圖中細實線）。為了得到恒功 率特性，必須采用可控條件。 但是外施電壓最大值是由電源功率變換器決定的，而導通角又不能無限增加（一般不能超過半個轉(zhuǎn)子極距 ）。因此，在電壓和導通角都達最大時，能得到的最大功率的最高

16、轉(zhuǎn)速 3 sc被稱之為“第二臨界轉(zhuǎn)速”。當轉(zhuǎn)速再增加時，由于可控條件都已 經(jīng)達到極限，轉(zhuǎn)矩將隨轉(zhuǎn)速的二次方下降，如圖所示。開關(guān)磁阻電機一般運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在這兩個區(qū)域中，電機的實際運行特性可控。通過控制條件，可以實現(xiàn)在粗實線以下的任意實際運行特性。而在串勵特性區(qū)，電機的可控條件都已達極限， 電機的運行特性不再可控，電機呈現(xiàn)自然串勵運行特性，故電機一般不會運行在此區(qū)域。運行時存在著第一、第二兩個臨界運行點是開關(guān)磁阻電機的一個重要特點。采用不同的可控條件匹配可以得到兩個臨界點的不同配置，從而得到各種各樣所需的機械特性，這就是開關(guān)磁阻電動機具有優(yōu)良調(diào)速性能的原因之一。從設計的觀點看，兩個臨界點的合理配置是保證SR電動機設計合理，滿足給定技術(shù)指標要求的關(guān)鍵。從控制角度看， 在上述兩個區(qū)域采用不同的控制方法， 在第一臨界轉(zhuǎn)速以下一般采用電 流斬波控制方式(CCC方式)，在第一、第二臨界轉(zhuǎn)速之間采用角度位置控制方式(APC方式)。開關(guān)磁阻電動機系統(tǒng)的特點開關(guān)磁阻電動機系統(tǒng)具有一些很有特色的優(yōu)點：(1) 電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈嵌放 容易，端部尺寸短而牢固。工作