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电动车电机
阅读:2975时间:2017-03-23 14:13:44

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    根据其使用环境与使用频率的不同,形式也不同。不同形式的电机其特点也不一样。目前电动车电机普遍采用永磁直流电机。电动车电机按照电机的通电形式来分,可分为有刷电机和无刷电机两大类;按照电机总成的机械结构来分,一般分为“有齿”(电机转速高,需要经过齿轮减速)和“无齿”(电机扭矩输出不经过任何减速)两大类。

组成结构

    1.永磁式直流电机:
    由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成。
    定子磁极采用永磁体(磁钢),有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。
    转子一般采用硅钢片叠压而成,漆包线绕在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组),其各接头分别焊在换向器的金属片上。
    电刷是连接电源与转子绕组的导电部件,具备导电与耐磨两种性能。永磁电机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。
    2.无刷直流电机:
    由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。
    无刷直流电机的特点是无刷,采用半导体开关器件(如霍尔元件)来实现电子换向的,即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点。
    位置传感器按转子位置的变化,沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置,并在确定的位置处产生位置传感信号,经信号转换电路处理后去控制功率开关电路,按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。
    3.高速永磁无刷电机:
    由定子铁心、磁钢转子、太阳轮、减速离合器、轮毂外壳等组成。
    电机盖子上面可以装上霍尔传感器,用以测速。
    位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。
    采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机,其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上,用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。电动汽车多用的是霍尔元件。
    采用光电式位置传感器的无刷直流电动机,在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件,转子上装有遮光板,光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。
    采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机,是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等),当永磁体转子位置发生变化时,电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。
    定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

设备分类

    用于电动汽车的驱动电机与常规的工业电机不同。电动汽车的驱动电机通常要求频繁的启动/停车、加速/减速,低速或爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,并要求变速范围大。而工业电机通常优化在额定的工作点。因此,电动汽车驱动电机比较独特,应单独归为一类。
    对无刷电机而言,根据电机是否具有位置传感器,又分为有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机。对于无位置传感器的无刷电机,必须要先将车用脚蹬起来,等电机具有一定的旋转速度以后,控制器才能识别到无刷电机的相位,然后控制器才能对电机供电。由于无位置传感器无刷电机不能实现零速度启动,所以在2000年以后生产的电动车上用得较少。电动车行业内使用的无刷电机,普遍采用有位置传感器无刷电机。旋转180°,线圈不动,霍耳元件感应到S极磁场,此时P1与R2截止,P2与R1导通,可以看到电流i’从电池正极经过R1、线圈、P2流到电池负极。通电线圈中的A点的电流i’方向是指向接线头的方向(矢量方向与i’矢量方向相反),磁钢受到线圈的反作用力,一样产生向逆时针方向的旋转力矩。电动车用无刷电机的磁钢数量比较多,线圈一般有3组,每组线圈都有相应的霍耳元件(3相线圈有3个霍耳元件),这样电机旋转时就更平稳,效率更高。当磁钢旋转时,霍耳元件感应到磁场方向变化后给出相应控制信号,无刷控制器根据此信号控制着上3路与下3路功率管的导通与截止

产品对比

    有刷电机、无刷电机的比较
    有刷电机与无刷电机的通电原理上的区别:有刷电机是由碳刷与换向器进行机械换向,无刷电机是靠霍耳元件感应信号由控制器完成电子换向。
    有刷电机和无刷电机的通电原理不一样,其内部结构也不一样。对轮毂式电机而言,电机力矩的输出方式(是否经过齿轮减速机构减速)不一样,其机械结构也不一样。
    1、常见高速有刷电机的内部机械结构。这种轮毂式电机由内置高速有刷电机心、减速齿轮组、超越离合器、轮毂端盖等部件组成。高速有刷有齿轮毂式电机属于内转子电机。
    2、常见低速有刷电机的内部机械结构。这种轮毂式电机由碳刷、换相器、电机转子、电机定子、电机轴、电机端盖、轴承等部件组成。低速有刷无齿轮毂式电机属于外转子电机。
    3、常见高速无刷电机的内部机械结构。这种轮毂式电机由内置高速无刷电机心、行星摩擦滚子、超载离合器、输出法兰、端盖、轮毂外壳等部件组成。高速无刷有齿轮毂电机属于内转子电机。
    4、常见低速无刷电机的内部机械结构。这种轮毂式电机由电机转子、电机定子、电机轴、电机端盖、轴承等部件组成。低速无刷无齿轮毂式电机属于外转子电机。
    主要特性
    无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动车,是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。
    (1)寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中,由于电机转速较高,电刷和换向器磨损较快,一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大,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。因此无刷直流电动机的优势很明显。
    (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磨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。

操作方法

   在电动自行车行业,电机一般指电机总成,包括电机心、减速机构等。下面我们讲的电动自行车均指电机总成。
    一、电机的拆卸
    拆卸电机之前应首先拔开电机与控制器的引线,此时一定要记录下电机引线颜色与控制器引线颜色的一一对应关系。打开电机端盖之前应先清洁操作场地,以防止杂物被吸在电机内的磁钢上。做好端盖与轮毂相对位置的标记。注意:一定要按对角顺序松动螺钉,以免电机外壳变形。电机转子与定子的径向间隙叫气隙(空气间隙),一般电机的气隙在0.25-0.8mm之间。当拆卸完电机排除了电机故障之后,一定要按原来的端盖记号进行装配,这样可以防止二次装配后的扫膛现象。
    二、电机内齿轮的润滑
    如果有刷有齿轮毂电机与无刷有齿轮毂电机运行的噪音开始变大,或者更换了电机内的齿轮,应将齿轮所有齿面涂满润滑脂,一般使用3号润滑脂或厂家指定的润滑油。
    电动车电机
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    三、电机的组装
    在组装有刷电机之前,请检查刷握里面弹簧的弹性,检查碳刷与刷握是否有碰擦,检查碳刷在刷握里是否能达到行程,注意碳刷与换相器的正确定位,以免卡坏碳刷或刷握。
    安装电机的时候,首先应清理电机部件表面的杂质,以免影响电机的正常运转,并且一定要将轮毂体固定结实,以免安装时由于受磁钢的强力吸引,造成部件相互撞击、损坏。检测36V正常,控制器输出5V、12V正常,电动机电阻正常。把电动机直接连接到36V电池上,电动机运转正常。
    四、接线方法
    由于换向方式不一样,有刷电机和无刷电机不但内部结构不一样,而且在接线方式上的区别也非常大。
    1、有刷电机的接线方法。有刷电机一般有正负两根引线。一般红线是电机正极,黑线是电机负极。如果将正负极交换接线,只是会使电机反转,一般不会损坏电机。
    2、无刷电机相角的判断。无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角的简称,指无刷电机各线圈在一个通电周期里面线圈内部电流方向改变的角度。电动车用无刷电机常见的相位代数角有120°与60°两种。
    观察霍耳元件安装空间位置判断无刷电机的相角, 120°和60°两种相角电机的霍耳元件安装空间位置不一样。
    测量霍耳真值信号判断无刷电机的相角
    需要先说明一下的是什么叫无刷电机的磁拉力角。无刷电机的磁钢数量一般是12片、16片或18片,其对应的定子槽数是36槽、48槽或54槽。电机在静止状态时,转子磁钢的磁力线有沿磁阻最小方向行走的特性,因此转子磁钢所停顿的位置恰好为定子槽凸极的位置。磁钢不会停在定子槽心的位置,这样转子与定子的相对位置只有36种、48种或54种这有限的几个位置。因此无刷电机的最小磁拉力角就是360/36°、360/48°或360/54°。
    无刷电机的霍耳元件有5根引线,分别是霍耳元件的公共电源正极、公共电源负极、A相霍耳输出、B相霍耳输出和C相霍耳输出。我们可以利用无刷控制器(60°或120°)的5根霍耳引线,将无刷电机霍耳元件引线的正负电源接好,将其余A、B、C三个相位传感器的引线,任意接在控制器霍耳信号引线的引线上。接通控制器电源,由控制器给霍耳元件供电,就可以检测到无刷电机的相角了。方法如下:用万用表的+20V直流电压挡,并将黑表笔接地线,红表笔分别测量三个引线的电压情况,记录下3根引线的高低电压。轻微转动电机,让电机转过一个最小磁拉力角度,再次测量并记录下3根引线的高低电压,如此测量记录6次。我们用1表示高电位,用0表示低电位,那么如果是60°无刷电机,连续转动6个最小磁拉力角度,则测量出的霍耳真值信号应该是:100、110、111、011、001、000。调整三个霍耳元件引线的引脚顺序,让真值的信号严格按照上面的真值顺序变化,这样对于60°无刷电机的A、B、C三个相位就判断出来了。
    如果是120°无刷电机,连续转动6个最小磁拉力角度,测量出的霍耳真值信号应该是按照100、110、010、011、001、101的规律变化,这样霍耳元件引线的通电相序就判断出来了。
    如果想快速测出无刷电机是60°还是120°,用万用表的+20V直流电压挡,并将黑表笔接地线,红表笔分别测量三个引线的电压,出现三根线都有电压或都无电压时就确定是60°电机,否则就是120°
    3、无刷电机的接线方法。无刷电机的线圈引线有3根,霍耳引线有5根,这8根引线必须和控制器相应引线一一对应,否则电机不能正常转动。
    一般讲来,60°和120°相角的无刷电机,需要由与之相对应的60°和120°相角的无刷电机控制器来驱动,两种相角的控制器不能直接互换。60°相角的无刷电机与60°相角控制器相连的8根线的正确接线有两种,一种正转,一种反转。
    因为对于120°相角的无刷电机,通过调整线圈引线的相序和霍耳引线的相序,电机与控制器相连的8根线的正确接线可以有6种,其中3种接法电机正转,另外3种接法电机反转。
    如果无刷电机反转,表明无刷控制器与无刷电机的相角是匹配的,我们可以这样来调整电机的转向:将无刷电机与无刷控制器的霍耳引线的A、C交换接线;同时将无刷电机与无刷控制器的主相线A、B交换接线。
    电动自行车大体可分三种。 1,直流轮毂电机,即有刷电机,两根引出线,外接PWM控制器。 2,交流轮毂电机,有带霍尔和不带霍尔传感的,三根引线以上,外接变频控制器。3,直流无刷轮毂电机,内含电子换向器,两根引出线。外接PWM控制器。 一定要分清,不要被混淆。

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