電動(dòng)摩托車用小型電機(jī)的種類特性介紹

1、電動(dòng)摩托車用小型電機(jī)的種類、 特性介紹作者:日期:電動(dòng)摩托車用小型電機(jī)的種類、特性報(bào)告電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)摩托車的一個(gè)重要部件，目前在電動(dòng)摩托車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，主要有直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用范圍比交廣泛。1直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.1直流電機(jī)的工作原理下圖為直流電動(dòng)機(jī)的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞.線圈的首末端a、d連接到兩個(gè)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(dòng)的電刷進(jìn)行的。換向片與電刷滑動(dòng)接觸。把電刷 A、B接到直流電源上，電刷A接正

2、極,電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中將有電流流過，根據(jù)左手定則，電樞逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)幾何中性線時(shí)，F(xiàn)=0,電樞由于慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。取下圖所示位置，原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左，該電磁力形成逆時(shí)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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，直流電動(dòng)機(jī)在直流電源作用下轉(zhuǎn)動(dòng)起來。1。2直流電機(jī)的數(shù)學(xué)方程1。2.1電樞中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞中通入直流電流后，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)。 而通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，又會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：E KE n式中，Ke與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)；電機(jī)每極磁通量，

3、 Wb;n-電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min.1.2 。2電樞電壓方程如圖所示，U E IaRa式中，U-外接電源電壓, la-電樞電流， Ra電樞電阻，！ 1。2.3電磁轉(zhuǎn)矩方程. V;A；Qo式中，T電磁轉(zhuǎn)矩,Nm;TKt laKt-與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)1.3 直流電機(jī)的機(jī)械特性直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式可分為兩種，永磁式和電勵(lì)磁式。電磁式是由磁性材料提供磁場；電勵(lì)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(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)子繞Ia=If + "?JUr©串勵(lì)I(lǐng) fl I amu復(fù)勵(lì)KtElaIa(Ra Rf)而U n Ke KTRaRfkek組的連接關(guān)系，勵(lì)磁式的直流電機(jī)

4、可以分為：串勵(lì)電機(jī)、他勵(lì)電機(jī)、并勵(lì)電機(jī)、復(fù)勵(lì)電機(jī)。1。3.1串勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性 串勵(lì)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型：KeK la式中，Rf-串勵(lì)繞組電阻，Q .Ko 一勵(lì)磁系數(shù)。由此可推出：這種勵(lì)磁方式的特點(diǎn)是：當(dāng)電壓U 一定時(shí)，隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大，n下降很快，電機(jī)不會(huì)因?yàn)樨?fù)載增大而過載，但當(dāng)負(fù)荷趨于0時(shí)，轉(zhuǎn)速n趨于無窮，故串勵(lì)直流電機(jī)不能空載運(yùn)行1.3.2他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)勵(lì)磁電流一定時(shí)，磁通為常數(shù)，點(diǎn)擊的數(shù)學(xué)模型為:E Ke nn"T & Ian0U EIaRa''一URa丁由此可推出：n 2TKeKeKt0T這種勵(lì)磁方式的特點(diǎn)是：在電樞電壓一定時(shí)，由于他勵(lì)電機(jī)

5、的電樞電阻Ra很小，所以在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)速n的變化不大，電機(jī)特性也較硬。永磁直流電機(jī)和并勵(lì)電機(jī)也有類似的 機(jī)械特性。1.3。3復(fù)勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性很硬 ，串勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性很軟，復(fù)勵(lì)直流電機(jī)可以結(jié)合 兩者的特性。如果串勵(lì)繞組的磁勢(shì)與并勵(lì)繞組的磁勢(shì)方向相同，叫積復(fù)勵(lì)直流電機(jī)； 方向相反，叫差復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。積復(fù)勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性可以借鑒他勵(lì)式的機(jī)械特性方程，曲線的形狀取決于串勵(lì)磁勢(shì)的強(qiáng)弱.RaKeKt則電機(jī)的總勵(lì)磁磁通為B C ,其中并勵(lì)磁通為B ,串勵(lì)磁通為 B直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調(diào)速、過載能力強(qiáng)、系統(tǒng)可靠性好，但是由于需要換向器(整流子)和電刷

6、，存在著機(jī)械磨損，影響了電機(jī)的效率。2交流永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流永磁電機(jī)主要包含兩大類：永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor ,PMSM和無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor , BDCM。兩者最主要的區(qū)別在于永磁體勵(lì)磁 磁場在定子相繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)波形：PMSM1相感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波，而BDCM為梯形波，如圖所示：2.1 永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor , PMSM)永磁同步電機(jī)是用永磁體取代繞線式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線 圈、滑環(huán)和電刷，定子中通入三

7、相對(duì)稱交流電。由于電機(jī)定子三相繞組接入三相對(duì)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(shí)的相對(duì)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)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速可表示為:60 fsn Pn 式中，fs為電源頻率；pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。永磁同步電機(jī)系統(tǒng)以其高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度等特點(diǎn)在電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中 具有很高的應(yīng)用價(jià)值.但是由于電動(dòng)車的復(fù)雜運(yùn)行工況造成的電機(jī)參數(shù)隨溫度、轉(zhuǎn)速等因素 的變化對(duì)系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生很大的影響。2。2 無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor , BDCM2。2.1無刷直流電機(jī)工作原理無刷直流電機(jī)是用裝有永磁體

8、的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電機(jī)的定子磁極， 將原直流電機(jī)的電 樞變?yōu)槎ㄗ印Ｓ兴⒅绷麟姍C(jī)是依靠機(jī)械轉(zhuǎn)向器將直流通入到轉(zhuǎn)子繞組上， 顛倒原直流電機(jī)定、 轉(zhuǎn)子和采用永磁體的好處是省去了機(jī)械換向器和電刷，消除了機(jī)械磨損 ，提高了功率密度。無刷直流電機(jī)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(jī)在運(yùn)行過程中由定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)工作原理。圖中， 3個(gè)光電位置 傳感器VP1、VP2、VP3的安裝位置各相差 120° ,V1、V2、V3是三個(gè)功率管。當(dāng) VP1為

9、高電平時(shí)，V1導(dǎo)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(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)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(dǎo)通，電流 從繞組A-A'斷開而流入 B-B',轉(zhuǎn)子磁場的作用下照順時(shí)針方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)120°后，VP3為高電平，VP2為低電平，從而使V2截止，V3導(dǎo)通，電流從繞組 C-C'流入.由此可見，是 位置傳感器實(shí)現(xiàn)了各相繞組電流的換向。2.2 。2無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型(1 )電壓方程假設(shè)磁路不飽和， 不計(jì)渦流和磁損耗， 三相繞組完全對(duì)稱，則三相繞組的電壓平衡方程可表不為：uar/0

10、0ub0 r0uc0 0rLMMiaeaMLMPibebMMLicec式中：Ua,U b, Uc定子相繞組電壓（V）；ia,i b, i c定子相繞組電流（A）；ea, eb, ec定子相繞組電動(dòng)勢(shì)（V）;r一定子三相繞組（）;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, 組為丫連接且沒有中線時(shí)，則有：因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當(dāng)三相繞ia ibic0故而有:Uar00Ub0r0Uc00rL M00iaea0L M0P ibeb00L Micec因此可以得到無刷直流電機(jī)的等效電路圖，如下圖L-M（2）轉(zhuǎn)矩方程永磁無刷直流電

11、動(dòng)機(jī)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(dá)式為電磁轉(zhuǎn)矩為：T （eaia ebib Qic）/ ,為電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度。在每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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)；中為電機(jī)每極氣隙磁通量；Im為定子繞組各相電流的幅值。2。2.3無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性分析電動(dòng)機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械，對(duì)于無刷直流電機(jī)，其電勢(shì)平衡 方程式為：U E I aveRaveU式中：U為電源電壓（V）;E為電樞繞組反電勢(shì)（V）;lave為平均電樞電流（A）；Rve為電樞繞組的平均電阻（）； U

12、為功率器件的飽和管壓降（V ）。（1）起動(dòng)特性：由于此時(shí)反電動(dòng)勢(shì)為零，電樞電流為（UU "Rave ,其值可為正常工作電流的幾倍到幾十倍，所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電動(dòng)勢(shì)增加，電磁轉(zhuǎn)矩減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài).（2）電動(dòng)運(yùn)行特性：電磁功率和轉(zhuǎn)矩是正的， 為電動(dòng)性質(zhì).對(duì)功率管進(jìn)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(jī)外特性曲線類似于永磁直流電機(jī)，特性較硬，由于沒有電刷和換向器，所以可以在高速下運(yùn)行，這樣電機(jī)的體積可縮小，重量減小，提高了可靠性，而且無刷直流電機(jī)的控制相對(duì)簡單，這對(duì)于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)來講很有意義。3 開

13、關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（Switched Reluctance Motor）隨著現(xiàn)代大功率半導(dǎo)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(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)以高效率、高可靠性和一種新型機(jī)電一體化、具有軟啟動(dòng)特性的調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)面貌出現(xiàn)。3.1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)工作原理開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)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(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)成一相。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)是由有繞組的8極定子和無繞組的 6極轉(zhuǎn)子構(gòu)成，當(dāng)沿徑向相對(duì)的2個(gè)定子極通以直流電， 形 成一個(gè)磁場。該磁場使對(duì)應(yīng)的一對(duì)轉(zhuǎn)子磁極受力旋轉(zhuǎn)與

14、定子磁極中心線重合，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”-磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的 一一-一 一 . 一 一 .-一 . -一 .鐵芯在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。當(dāng)定子D D極勵(lì)磁時(shí)，所產(chǎn)生的磁力是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子軸線 組的電感最大，若依次給A A - B-C相繞組通電，轉(zhuǎn)子會(huì)按勵(lì)磁順序以逆時(shí) 針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給B-A f AC相繞組通電，轉(zhuǎn)子會(huì)按勵(lì)磁順序 以順時(shí)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(dòng)機(jī)繞組中電流脈沖 的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置， 即可控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小和 方向.3。2開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)

15、動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)主要由四部分組成：SR電機(jī)本體、功率變換器、控制器及位置和電流檢測(cè)器.它們之間的關(guān)系如圖 1所示：3.3 開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行特性開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行速度低于3 fc （第一臨界速度） 的范圍內(nèi)，為了保證 W max和i不超過允許值，采用改變電壓、導(dǎo)通角和觸發(fā)角三者中任一個(gè)或任兩個(gè)，或三者同時(shí)配合控制.當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)在高于 3 fc范圍運(yùn)行時(shí)，在外加電壓、導(dǎo)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(xì)實(shí)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(dǎo)通角又不能無限增加（一般不

16、能超過半個(gè)轉(zhuǎn)子極距）.因此，在電壓和導(dǎo)通角都達(dá)最大時(shí)，能得 到的最大功率的最高轉(zhuǎn)速 3 sc被稱之為“第二臨界轉(zhuǎn)速”。當(dāng)轉(zhuǎn)速再增加時(shí)，由于可控條件 都已經(jīng)達(dá)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(jī)一般運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在這兩個(gè)區(qū)域中，電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性可控.通過控制條件，可以實(shí)現(xiàn)在粗實(shí)線以下的任意實(shí)際運(yùn)行特性。而在串勵(lì)特性區(qū)，電機(jī) 的可控條件都已達(dá)極限，電機(jī)的運(yùn)行特性不再可控，電機(jī)呈現(xiàn)自然串勵(lì)運(yùn)行特性，故電機(jī)一般不會(huì)運(yùn)行在此區(qū)域。運(yùn)行時(shí)存在著第一、第二兩個(gè)臨界運(yùn)行點(diǎn)是開關(guān)磁阻電機(jī)的一個(gè)重要特點(diǎn)。采用不同的可控條件匹配可以得到兩個(gè)臨界點(diǎn)的不同配置，從而得到各種各樣所需的機(jī)械特性，這就是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良調(diào)速性能的原因之一。從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)看，兩個(gè)臨界點(diǎn)的合理配置是保證SR電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)合理，滿足給定技術(shù)指標(biāo)要求的關(guān)鍵。從控制角度看，在上述兩個(gè)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).3.4 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有一些很有特色的優(yōu)點(diǎn)：(1 )電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)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