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無刷直流電動機在電動自行車上的應用

2015/7/8 15:04:56

隨著我國改革開放的深進和社會生產力的發展，人們生活節奏的加快，活動范圍的不斷擴大，人們希看獲得一種輕便快捷、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動機為動力，其廢氣排放濃度是一般轎車的3-5倍，其污染題目引起了社會各界和主管部分的高度重視。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。而電動自行車由于輕便、快捷，適應了現代人追求環保、效率、安全的需要，所以受到了廣大消費者的普遍歡迎，得以再度興起。1998年我國電動自行車的年產量約6萬輛，1999年產量翻番，達13萬輛，主要生產集中在華東地區。進進2000年以來，不少地區的銷售情況也十分喜人，市場遠景廣闊。電動自行車并不是簡單地在自行車上加上電池和電動機，而是包括電池、控制系統、傳動系統、電機四大塊，并且采用了很多的新技術和新材料。單從其驅動裝置———電機來看就有很高的技術含量。電動自行車的電機經過十多年的發展，曾經有變頻電機、開關磁阻電機、有刷直流電機、無刷電機等多種驅動方案。經過市場驗證，目前較為成熟的有兩大類：一類是帶減速齒輪的有刷電機，有盤式結構和圓柱結構兩種；另一類是不帶減速齒輪的直接驅動的無刷直流電機。

1 工作原理與結構

1.1 工作原理一般所說的直流電動機是指具有換向器和電刷的直流電動機。在這種電動機中定子側安裝固定主磁極和電刷，轉子側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進電樞繞組，產生電樞電流，電樞電流與主磁場相互作用產生轉矩，帶動負載。然而由于電刷和換向器的存在，結果產生了一系列致命的弱點：a、結構復雜，可靠性差，故障多，需要維護，維護又困難，壽命短。b、換向火花形成電磁干擾。無刷直流電動機就是在保存有刷直流電動機的優良性能的基礎上，為往除電刷和換向器而研究開發的。由于無刷直流電動機沒有電刷和換向器，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現的。要在電動機中產生恒定方向的電磁轉矩，就應使電樞電流隨磁場位置的變化而變化。為實現這一點，就需要確認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
感器將轉子磁極的位置信號轉換成電信號，然后往驅動功率器件，控制相應繞組電流的通、斷。與有刷直流電動機不同，無刷直流電動機的永久磁鋼磁極安放在轉子上，而電樞繞組安裝在定子上。位置傳感器也有相應的兩部分，轉動部分和電動機本體中轉子同軸連接（轉動部分通常由電機轉子代替），固定部分與定子相連。

圖1 無刷直線電動機原理示意圖

。如圖1所示，在電動機裝配過程中，首先調整好位置傳感器的三個信號元件（a、b、c）與電機定子三相繞組（AX，BY，CZ）之間的相對位置，使得轉子磁場轉到定子某相繞組下時，該相繞組才導通，以保證轉子磁極下的繞組導體電流方向始終保持一致。圖1中，當電動機轉子N極位于A（a）處，則傳感器a元件感應出信號，使功率晶體管V1導通，A相繞組中便有電流通過，設其方向為A（流進）、X（流出），便產生水平向左的定子磁場，與向上的轉子磁場相互作用而產生電磁轉矩，驅動轉子逆時針旋轉；當N極旋轉至B（b）處，b元件輸出信號使晶體管V2導通而其余關斷，B 相繞組通過電流，同樣產生逆時針方向的電磁轉矩，當磁極旋轉至C（c）處，其動作過程與前兩處相同。如此反復循環，電動機即可旋轉起來。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由于每相120°。由于功率晶體管的導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格的對應，在電機安裝時應加以留意。

1.2 結構電動自行車的電機受體積和本錢

限制，通常制成盤式電動機，安裝在車輪的輪轂內，輪轂由輻條與車圈連接，直接帶動車輪轉動。由工作原理可知，無刷直流電動機除電動機本體外，還包括位置傳感器和電子開關線路（即控制器）。如圖2所示。

圖2 無刷直流電動機基本組成框圖

電動機內部結構分定子和轉子兩部分。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，以滿足大力矩、低轉速的要求。定子繞組的形式和多相的永磁同步電動機類似，它在實現能量轉換過程中起著重要的作用。繞組相數多取三相，并采用Y型聯接，三相繞組分別與電子開關線路中相應的功率開關器件聯接，即為三相半控驅動方式。電機的轉子為外轉子形式，由永久磁鋼按一定極對數（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

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中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息。由于電動自行車的電機安裝在輪轂內，對電機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。霍爾元件是根據霍爾效應制成的，即當有電流度過和有磁場穿過霍爾元件時，元件內會產生霍爾電勢，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，根據轉子磁極的位置來產生位置信號。為進步霍爾元件的驅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合構成一個開關型霍爾集成電路，在不增加電路封裝體積的情況下，其輸出信號可直接驅動功率晶體管。目前還出現了利用電機定子繞組的反電動勢作為轉子磁鋼的位置信號，經數字電路處理，并送給邏輯開關電路往控制電機的換向，由于它省往了位置傳感器，使得電機的結構更加緊湊，近年來的應用日趨廣泛。

2.2 驅動控制電路

如圖3所示，驅動控制電路包括，位置信號處理電路，各相信號邏輯分配電路，功率放大電路，保護電路。

圖3 驅動電路示意圖

。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生的信號一般不能直接用于控制功率放大電路，需經過信號邏輯分配電路處理后才能往控制邏輯開關單元。功率放大電路是驅動控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組。關于保護電路，通常有下列幾種，繞組中電流過流保護，總線電流保護，過壓保護，欠壓保護，過熱保護，過速保護等；在所有無刷直流電動機驅動控制電路中，保護電路基本相同。目前，無刷直流電動機專用集成電路，已將各相信號邏輯分配電路，控制電路，以及保護電路集成在一起，使用起來更簡便，體積小，可靠性更高。

3 應用特點及常見故障

3.1 應用特點

無刷直流電動機之所以被廣泛應用于電動自行車，是由于它與傳統的有刷直流電動機相比具有以下二方面的上風。（1）壽命長、免維護、可靠性高。在有刷直流電動機中，由于電機轉速較高，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難度較大，特別是傳動齒輪的潤滑題目，是目前有刷方案中比較大的困難。所以有刷電機就存在噪聲大、效率低、易產生故障等題目。因此無刷直流電動機的上風很明顯。（2）效率高、節能。一般而言，因無刷直流電動機沒有機械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調速電路損耗，效率通常可高于85%，但考慮到實際設計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設計為76%。而有刷直流電動機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，首先應該檢查電動機本體，其次是位置傳感器，最后檢查驅動控制電路。在電動機本體中，可能出現的題目是：A、電動機繞組接觸不良，斷線或短路。會造成電動機不轉；電動機在某些位置能夠起動，而在某些位置不能起動；電動機運行不平衡。B、電動機主磁極退磁，會使電動機轉矩明顯小，而空載轉速高、電流大。在位置傳感器上常見題目是霍爾元件損壞、接觸不良、位置變化，都會使電動機輸出轉矩變小，嚴重時會使得電動機不動或在某一點往返振動。在驅動控制電路中最輕易出現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的常見故障進行的簡單分析，在電動機實際運行時題目會是多種多樣的，檢查者應留意在沒有確切把握情況時，不能隨意通電，以免造成電動機的其他器件損壞。

4 結束語

我國有關政府部分為解決能源和環保題目，鼓勵電動自行車項目的開發和研制，為使電動車的開發和生產納進標準化、法制化治理，1997年6月中國輕工總會發布了《電動自行車安全通用技術條件》行業標準；1999年5月國家質量技術監視局發布了《電動自行車通用技術條件》國家標準，這將為電機技術的進步和規模化生產提供了條件。同時無刷直流電動機以其優越的性能在電動自行車設計中被廣泛的應用，無刷直流電動機的發展也將成為一個不可逆轉的趨勢。