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無刷直流電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

www.sail-shipping.com 來源：中國電動車信息網(wǎng)　　　電動車商情網(wǎng) 作者：俠名類別：電動車維修時間：2006-2-22

無刷直流電動機(jī)因其無電刷和機(jī)械換向器，不需要減速裝置，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動自行車中，本文著重分析了無刷直流電動機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)，以及在電動自行車中的應(yīng)用特點(diǎn)。隨著我國改革開放的深入和社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活節(jié)奏(Ritmo)的加快，活動范圍的不斷擴(kuò)大，人們希望獲得一種輕便快捷、簡單安全的交通工具。前幾年，人們選擇了燃油助動車，但由于燃油助動車采用小容量二沖程汽油發(fā)動機(jī)為動力，其廢氣排放濃度是一般轎車的3-5倍，其污染問題引起了社會各界和主管部門的高度重視。在上海、蘇州等大中城市，于1996年便開始禁止燃油助動車上牌照。而電動自行車因?yàn)檩p便、快捷，適應(yīng)了現(xiàn)代人追求環(huán)保、效率、安全的需要，所以受到了廣大消費(fèi)者的普遍歡迎，得以再度興起。1998年我國電動自行車的年產(chǎn)量約6萬輛，1999年產(chǎn)量翻番，達(dá)13萬輛，主要生產(chǎn)集中在華東地區(qū)。進(jìn)入2000年以來，不少地區(qū)的銷售情況也十分喜人，市場(Rialto)前景廣闊。電動自行車并不是簡單地在自行車上加上電池和電動機(jī)，而是包括電池、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電機(jī)四大塊，并且采用了很多的新技術(shù)和新材料。單從其驅(qū)動裝置——電機(jī)來看就有很高的技術(shù)含量。電動自行車的電機(jī)經(jīng)過十多年的發(fā)展，曾經(jīng)有變頻電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、有刷直流電機(jī)、無刷電機(jī)等多種驅(qū)動方案。經(jīng)過市場(Rialto)驗(yàn)證，目前較為成熟的有兩大類：一類是帶減速齒輪的有刷電機(jī)，有盤式結(jié)構(gòu)和圓柱結(jié)構(gòu)兩種；另一類是不帶減速齒輪的直接驅(qū)動的無刷直流電機(jī)。 1 工作原理與結(jié)構(gòu) 1.1 工作原理一般所說的直流電動機(jī)是指具有換向器和電刷的直流電動機(jī)。在這種電動機(jī)中定子側(cè)安裝固定主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子側(cè)安放電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流與主磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動負(fù)載。然而由于電刷和換向器的存在，結(jié)果產(chǎn)生了一系列致命的弱點(diǎn)：a、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，需要維護(hù)，維護(hù)又困難，壽命短。b、換向火花形成電磁干擾。無刷直流電動機(jī)就是在保留有刷直流電動機(jī)的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，為去除電刷和換向器而研究開發(fā)的。由于無刷直流電動機(jī)沒有電刷和換向器，它的繞組里電流的通、斷是通過電子換向電路及功率放大器實(shí)現(xiàn)的。要在電動機(jī)中產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，就應(yīng)使電樞電流隨磁場位置的變化而變化。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就需要確認(rèn)磁極與繞組之間的相對位置信息。一般采用位置傳感器來完成，由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去驅(qū)動功率器件，控制相應(yīng)繞組電流的通、斷。與有刷直流電動機(jī)不同，無刷直流電動機(jī)的永久磁鋼磁極安放在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組安裝在定子上。位置傳感器也有相應(yīng)的兩部分，轉(zhuǎn)動部分和電動機(jī)本體中轉(zhuǎn)子同軸連接（轉(zhuǎn)動部分通常由電機(jī)轉(zhuǎn)子代替），固定部分與定子相連。圖1 無刷直線電動機(jī)原理示意圖。如圖1所示，在電動機(jī)裝配過程中，首先調(diào)整好位置傳感器的三個信號元件（a、b、c）與電機(jī)定子三相繞組（AX，BY，CZ）之間的相對位置，使得轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)到定子某相繞組下時，該相繞組才導(dǎo)通，以保證轉(zhuǎn)子磁極下的繞組導(dǎo)體電流方向始終保持一致。圖1中，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子N極位于A（a）處，則傳感器a元件感應(yīng)出信號，使功率晶體管V1導(dǎo)通，A相繞組中便有電流通過，設(shè)其方向?yàn)锳（流入）、X（流出），便產(chǎn)生水平向左的定子磁場，與向上的轉(zhuǎn)子磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)N極旋轉(zhuǎn)至B（b）處，b元件輸出信號使晶體管V2導(dǎo)通而其余關(guān)斷，B 相繞組通過電流，同樣產(chǎn)生逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)磁極旋轉(zhuǎn)至C（c）處，其動作過程與前兩處相同。如此反復(fù)循環(huán)，電動機(jī)即可旋轉(zhuǎn)起來。由于傳感器元件安裝位置為空間互差120°電角度，因此三相繞組輪流通電時間也因?yàn)槊肯?20°。因?yàn)楣β示w管的導(dǎo)通和截止是通過位置傳感器傳感信號來控制的，所以傳感器的位置和三相繞組位置之間必須有嚴(yán)格的對應(yīng)，在電機(jī)安裝時應(yīng)加以注意。 1.2 結(jié)構(gòu)電動自行車的電機(jī)受體積和成本限制，通常制成盤式電動機(jī)，安裝在車輪的輪轂內(nèi)，輪轂由輻條與車圈連接，直接帶動車輪轉(zhuǎn)動。由工作原理可知，無刷直流電動機(jī)除電動機(jī)本體外，還包括位置傳感器和電子開關(guān)線路（即控制器）。如圖2所示。圖2 無刷直流電動機(jī)基本組成框圖電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子是由定子鐵心，電樞繞組及其引出線，傳感元件及其引出線，定子支架，軸等部分組成。定子電樞鐵心是由硅鋼片沖片疊壓而成的，由于電機(jī)徑向尺寸大，軸向尺寸短，定子鐵心一般做成多對極多個槽數(shù)，以滿足大力矩、低轉(zhuǎn)速的要求。定子繞組的形式和多相的永磁同步電動機(jī)類似，它在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。繞組相數(shù)多取三相，并采用Y型聯(lián)接，三相繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)接，即為三相半控驅(qū)動方式。電機(jī)的轉(zhuǎn)子為外轉(zhuǎn)子形式，由永久磁鋼按一定極對數(shù)（2p=2，4，...）組成，磁鋼材料一般采用鐵氧體、釹鐵硼或釤鈷（稀土磁鋼）等。 2 控制技術(shù) 2.1 位置傳感器由工作原理可知，位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。由于電動自行車的電機(jī)安裝在輪轂內(nèi)，對電機(jī)的尺寸和位置傳感器體積的要求都比較高，考慮傳感器的體積和性能，通常采用的傳感器是磁敏式開關(guān)式傳感器，目前使用最廣泛的是霍爾元件集成電路。霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，即當(dāng)有電流渡過和有磁場穿過霍爾元件時，元件內(nèi)會產(chǎn)生霍爾電勢，在磁場位置變化時霍爾電勢會完全反映磁場的變化，這樣就可起到傳感位置的作用，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置來產(chǎn)生位置信號。為提高霍爾元件的驅(qū)動功率和工作可靠性，通常將霍爾元件與其他集成電路相結(jié)合構(gòu)成一個開關(guān)型霍爾集成電路，在不增加電路封裝體積的情況下，其輸出信號可直接驅(qū)動功率晶體管。目前還出現(xiàn)了利用電機(jī)定子繞組的反電動勢作為轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號，經(jīng)數(shù)字電路處理，并送給邏輯開關(guān)電路去控制電機(jī)的換向，由于它省去了位置傳感器，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，近年來的應(yīng)用日趨廣泛。 2.2 驅(qū)動控制電路如圖3所示，驅(qū)動控制電路包括，位置信號處理電路，各相信號邏輯分配電路，功率放大電路，保護(hù)電路。圖3 驅(qū)動電路示意圖位置信號處理電路即為位置傳感器獲得的轉(zhuǎn)子磁極的位置電信號。信號邏輯分配電路，是由于位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用于控制功率放大電路，需經(jīng)過信號邏輯分配電路處理后才能去控制邏輯開關(guān)單元。功率放大電路是驅(qū)動控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機(jī)定子上各相繞組。關(guān)于保護(hù)電路，通常有下列幾種，繞組中電流過流保護(hù)，總線電流保護(hù)，過壓保護(hù)，欠壓保護(hù)，過熱保護(hù)，過速保護(hù)等；在所有無刷直流電動機(jī)驅(qū)動控制電路中，保護(hù)電路基本相同。目前，無刷直流電動機(jī)專用集成電路，已將各相信號邏輯分配電路，控制電路，以及保護(hù)電路集成在一起，使用起來更簡便，體積小，可靠性更高。 3 應(yīng)用特點(diǎn)及常見故障 3.1 應(yīng)用特點(diǎn) 無刷直流電動機(jī)之所以被廣泛應(yīng)用于電動自行車，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)的有刷直流電動機(jī)相比具有以下二方面的優(yōu)勢。（1）壽命長、免維護(hù)、可靠性高。在有刷直流電動機(jī)中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術(shù)難度較大，特別是傳動齒輪的潤滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機(jī)就存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問題。因此無刷直流電動機(jī)的優(yōu)勢很明顯。（2）效率高、節(jié)能。一般而言，因無刷直流電動機(jī)沒有機(jī)械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調(diào)速電路損耗，效率通常可高于85%，但考慮到實(shí)際設(shè)計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設(shè)計為76%。而有刷直流電動機(jī)的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。 3.2 常見故障無刷直流電動機(jī)的常見故障通常從其三個組成部分來檢查。在不清楚故障部位時，首先應(yīng)該檢查電動機(jī)本體，其次是位置傳感器，最后檢查驅(qū)動控制電路。在電動機(jī)本體中，可能出現(xiàn)的問題是：A、電動機(jī)繞組接觸不良，斷線或短路。會造成電動機(jī)不轉(zhuǎn)；電動機(jī)在某些位置能夠起動，而在某些位置不能起動；電動機(jī)運(yùn)行不平衡。B、電動機(jī)主磁極退磁，會使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩明顯小，而空載轉(zhuǎn)速高、電流大。在位置傳感器上常見問題是霍爾元件損壞、接觸不良、位置變化，都會使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變小，嚴(yán)重時會使得電動機(jī)不動或在某一點(diǎn)來回振動。在驅(qū)動控制電路中最容易出現(xiàn)故障的是功率晶體管，即由于長期過載、過電壓或短路使功率晶體管損壞。以上是對無刷電動機(jī)的常見故障進(jìn)行的簡單分析，在電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行時問題會是多種多樣的，檢查者應(yīng)注意在沒有確切把握情況時，不能隨意通電，以免造成電動機(jī)的其他器件損壞。 4 結(jié)束語我國有關(guān)政府部門為解決能源和環(huán)保問題，鼓勵電動自行車項(xiàng)目的開發(fā)和研制，為使電動車的開發(fā)和生產(chǎn)納入標(biāo)準(zhǔn)化、法制化管理，1997年6月中國輕工總會發(fā)布了《電動自行車安全通用技術(shù)條件》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；1999年5月國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了《電動自行車通用技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)，這將為電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)提供了條件。同時無刷直流電動機(jī)以其優(yōu)越的性能在電動自行車設(shè)計中被廣泛的應(yīng)用，無刷直流電動機(jī)的發(fā)展也將成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。