摩托車用直流無刷起動磁電機(jī)及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

永磁電機(jī)設(shè)計(jì)摩托車用直流無刷起動磁電機(jī)及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)摘要：針對將直流無刷電機(jī)與摩托車磁電機(jī)集合在一起的直流無刷起動磁電機(jī)，分析了電機(jī)定、轉(zhuǎn)子及驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：直流無刷起動磁電機(jī)；直流無刷電機(jī)；磁電機(jī)；摩托車起動電機(jī)1引言目前電起動摩托車上起動電機(jī)和磁電機(jī)是2臺獨(dú)立的電機(jī)。起動電機(jī)為有刷永磁直流電動機(jī)，工作轉(zhuǎn)速高，需經(jīng)減速機(jī)構(gòu)和超越離合器與發(fā)動機(jī)曲軸相連。磁電機(jī)飛輪永磁轉(zhuǎn)子與發(fā)動機(jī)曲軸直接相連，起到發(fā)電和給發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)提供點(diǎn)火觸發(fā)信號的作用。發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超越離合器打滑時(shí)會嚴(yán)重影響摩托車的起動特性；起動電機(jī)通過電刷換向，電刷磨損嚴(yán)重，需要經(jīng)常維護(hù)。直流無刷起動磁電機(jī)是將直流無刷起動電機(jī)與磁電機(jī)合二為一。它省掉了減速機(jī)構(gòu)和超越離合器，簡化了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)行可靠性。使用它可輕易地將腳踏摩托車改裝成電起動摩托車。但摩托車的價(jià)格越來越低，這就要降低直流無刷起動磁電機(jī)成本，電機(jī)磁瓦應(yīng)選用鐵氧體磁鋼，而不采用釹鐵硼材料。2總體結(jié)構(gòu) 直流無刷起動磁電機(jī)為內(nèi)定子及飛輪永磁外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。飛輪永磁外轉(zhuǎn)子與發(fā)動機(jī)曲軸固定在一起，飛輪內(nèi)腔均勻地粘貼有6塊N、S極相間鐵氧體磁瓦。飛輪端面均勻粘貼有3塊用作位置傳感器的弧形釹鐵硼磁鋼，從端面看去極性一致均勻?yàn)镹極，此磁鋼窄、薄、長，采用釹鐵硼易加工，綜合費(fèi)用不高。飛輪外周設(shè)計(jì)有一小凸臺，飛輪每旋轉(zhuǎn)1周小凸臺與觸發(fā)器上的鐵制凸臺相對掃過1次，引起觸發(fā)器內(nèi)部永磁磁路磁通變化，在觸發(fā)器內(nèi)部線圈內(nèi)感應(yīng)出一個(gè)交變電勢，此電勢用作發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的觸發(fā)電機(jī)內(nèi)定子鐵心由0.35mm冷軋硅鋼片疊壓鉚接而成，再經(jīng)電泳塑料絕緣處理后，繞制Y接的直流無刷起動電機(jī)三相繞組及單相發(fā)電繞組，浸漆烘干后用螺桿固定在電機(jī)法蘭底座上。底座上還安放著焊接有3個(gè)開關(guān)型霍爾元件用作位置傳感器的弧形印刷電路板。電機(jī)法蘭底座將固定在發(fā)動機(jī)機(jī)座上。直流無刷起動磁電機(jī)的Y接三相繞組與三相半橋驅(qū)動電路聯(lián)接，位置傳感器上的3個(gè)開關(guān)型霍爾元件發(fā)來的位置信號經(jīng)過處理后控制三相半橋驅(qū)動電路導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)直流無刷起動磁電機(jī)電子換向。摩托車起動時(shí)，直流無刷起動電機(jī)部分由電池供電。摩托車起動后，直流無刷起動電機(jī)部分?jǐn)嚯?，單相發(fā)電繞組輸出的大小及頻率隨飛輪轉(zhuǎn)速變化的電勢需經(jīng)調(diào)壓器給電池充電，同時(shí)給摩托車其它電器供電。3定子結(jié)構(gòu) 直流無刷起動磁電機(jī)為內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，電機(jī)軸向尺寸有限，結(jié)構(gòu)非常緊湊。以前，為了降低繞組端部高度，設(shè)計(jì)中采用了圖2所示短距集中繞組方案5，即每對磁極下有3個(gè)齒，每相1個(gè)齒，每個(gè)齒上套一相集中繞組，三相繞組在空間上不存在重疊區(qū)域。圖中A、B、C和F分別代表A、B、C三相起動繞組和交流發(fā)電繞組。雖然電機(jī)生產(chǎn)加工工藝簡單，但繞組實(shí)際跨距為120°電角度，繞組系數(shù)較低，每相繞組基本電磁轉(zhuǎn)矩梯形波的平頂部分最寬為60°電角度，三相繞組的合成基本電磁轉(zhuǎn)矩脈動量較大，再疊加上磁阻轉(zhuǎn)矩，最大電磁轉(zhuǎn)矩與最小電磁轉(zhuǎn)矩相差近1倍，為使最小起動轉(zhuǎn)矩大于規(guī)定值，只好采用釹鐵硼磁瓦，電機(jī)成本高，且性能不佳?，F(xiàn)在采用圖3所示多層整距分部繞組方案。齒槽比短距集中繞組方案多1倍，即每對磁極下有6個(gè)齒槽，每相2個(gè)槽。先在底部繞屬于A相槽的A相這一層部分繞組，然后再繞屬于B相槽的B相那一層部分繞組，再繞屬于C相槽的C相那一層部分繞組；隨后再按上述規(guī)律繞屬于A、B、C相另外一層部分繞組。每相部分繞組即可串聯(lián)也可并聯(lián)，但每條并聯(lián)支路串聯(lián)匝數(shù)要相同。最后，再在屬于A相槽中繞交流發(fā)電繞組。雖然繞組繞制工藝復(fù)雜了，但它卻能有效地降低繞組端部高度，增加鐵心有效長度，且繞組系數(shù)為1，繞組利用率高。當(dāng)鐵氧體磁瓦的極弧角度大于120°電角度時(shí)，每相繞組基本電磁轉(zhuǎn)矩梯形波的平頂部分大于120°電角度，三相繞組的合成基本電磁轉(zhuǎn)矩為一恒定值。鐵氧體磁瓦產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也較小，再適當(dāng)增加軸向鐵心長，也能保障最小起動轉(zhuǎn)矩大于規(guī)定值，滿足設(shè)計(jì)要求，成本低。4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 飛輪轉(zhuǎn)子由低碳鋼冷拉而成。飛輪轉(zhuǎn)子內(nèi)腔均勻粘貼的6塊鐵氧體磁瓦，由于定子上繞制多層整距分部繞組，為了獲得較大的電磁轉(zhuǎn)矩，減小脈動，磁瓦的極弧角度選擇得遠(yuǎn)大于120°電角度R3〕，設(shè)計(jì)中選擇為140°電角度。為了確保運(yùn)行時(shí)每個(gè)時(shí)刻三相半橋中總有一個(gè)橋臂通電，避免起動死區(qū)，飛輪端面弧形位置傳感器磁鋼空間電角度應(yīng)大于120°，實(shí)際設(shè)計(jì)為140°電角度。5驅(qū)動電路由于直流無刷起動磁電機(jī)的起動電流很大，為了簡化驅(qū)動電路，節(jié)省功率MOS管，選擇三相半橋方案。每相繞組輪流各導(dǎo)通120°電角度，與三相全橋相比，功率器件費(fèi)用減少1/2,也防止了全橋有可能出現(xiàn)的功率管同臂導(dǎo)通現(xiàn)象，功率管工作安全性大大提高。不但降低了成本，而且提高了可靠性，由于功率MOS管導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)有自動均流特性，三相都采用3個(gè)2SK1506功率MOS管并聯(lián)工作。起動時(shí)若起動電流太大，對電池不利，因此二相繞組不能同時(shí)通電。飛輪端面弧形位置傳感器磁鋼空間電角度大于120°，為140°電角度，位置傳感器3個(gè)霍爾元件空間相距120°電角度，會出現(xiàn)2個(gè)霍爾元件同時(shí)有位置信號輸出。在控制電路中必需對位置信號進(jìn)行處理，當(dāng)下一個(gè)霍爾元件剛有位置信號輸出時(shí)，立即驅(qū)動相應(yīng)功率管導(dǎo)通，同時(shí)封鎖前一相功率管驅(qū)動信號，確保每一時(shí)刻有且僅有一相繞組通電，確保正常起動。直流無刷起動磁電機(jī)的驅(qū)動電路如圖4所示。T1?T10為9014，T11?T13為8050，T14?T16為8550，M1?M3為功率MOS管，A、B、C為電機(jī)三相繞組。R15?R17與C2?C4構(gòu)成阻容吸收電路。功率MOS管為電壓跟隨推挽輸出驅(qū)動，管耗低。系統(tǒng)通電時(shí)，C1上電壓緩慢上升，T10截止，T4、T5、T6導(dǎo)通，確保各功率MOS管都處于截止?fàn)顟B(tài)，避免誤動作損壞功率MOS管。經(jīng)過幾十ms延時(shí)，T10導(dǎo)通，T4、T5、T6截止，允許電機(jī)起動。HA、HB、HC為3個(gè)霍爾元件傳感器，傳感器為集電極開路輸出，需上拉電阻，有磁場時(shí)輸出0，無磁場時(shí)輸出1。假定通電后HA上先有磁場而輸出0，T1截止，M1導(dǎo)通，A相繞組通電，電機(jī)起動；同時(shí)經(jīng)R10使T9導(dǎo)通，M3不能導(dǎo)通，僅A相繞組通電。電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)HB上有磁場而輸出0時(shí)，T2截止，M2導(dǎo)通，B相通電；同時(shí)T7導(dǎo)通，封鎖A相。同樣HC上有磁場而輸出0時(shí)，C相通電，由R12封鎖B相。這樣周而復(fù)始，電機(jī)迅速起動起來。此電路簡單、可靠、成本低。6技術(shù)指標(biāo)所研制的直流無刷起動磁電機(jī)適用于AX100型摩托車。電機(jī)飛輪外徑112mm，壁厚4.5mm，軸向總長度80mm，鐵心長度50mm，空氣隙1.2mm，磁瓦厚9mm。三相起動繞組采用①0.9mm漆包線，每相有3條并聯(lián)支路，每條并聯(lián)支路48匝。發(fā)電繞組采用①0.8mm漆包線，共56匝。其主要技術(shù)指標(biāo)為：(1)起動性能起動繞組為短期工作制，配用12V、7Ah鉛酸蓄