一文看懂電動(dòng)車電機(jī)的原理、分類和應(yīng)用

電動(dòng)車電機(jī)根據(jù)其使用環(huán)境與使用頻率的不同，形式也不同。不同形式的電機(jī)其特點(diǎn)也不一樣。電動(dòng)車電機(jī)普遍采用永磁直流電機(jī)。所謂永磁電機(jī)，是指電機(jī)線圈采用永磁體激磁，不采用線圈激磁的方式。這樣就省去了激磁線圈工作時(shí)消耗的電能，提高了電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，這對(duì)使用車載有限能源的電動(dòng)車來(lái)講，可以降低行駛電流，延長(zhǎng)續(xù)行里程。

電動(dòng)車電機(jī)按照電機(jī)的通電形式來(lái)分，可分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)兩大類;按照電機(jī)總成的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)分，一般分為“有齒”(電機(jī)轉(zhuǎn)速高，需要經(jīng)過(guò)齒輪減速)和“無(wú)齒”(電機(jī)扭矩輸出不經(jīng)過(guò)任何減速)兩大類。電動(dòng)機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，它主要包括一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子。

組成結(jié)構(gòu)

1.永磁式直流電機(jī)：

由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成。

定子磁極采用永磁體(永久磁鋼)，有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結(jié)構(gòu)形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。

轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成，漆包線繞在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間(三槽即有三個(gè)繞組)，其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。

電刷是連接電源與轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)電部件，具備導(dǎo)電與耐磨兩種性能。永磁電機(jī)的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。

2.無(wú)刷直流電機(jī)：

由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)是無(wú)刷，采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件(如霍爾元件)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開(kāi)關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無(wú)換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

位置傳感器按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開(kāi)關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)

3.高速永磁無(wú)刷電機(jī)：

由定子鐵心、磁鋼轉(zhuǎn)子、太陽(yáng)輪、減速離合器、輪轂外殼等組成。

電機(jī)蓋子上面可以裝上霍爾傳感器，用以測(cè)速。

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

采用磁敏式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?裝在定子組件上，用來(lái)檢測(cè)永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化。電動(dòng)汽車多用的是霍爾元件。

采用光電式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇間生脈沖信號(hào)。

采用電磁式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開(kāi)關(guān)、LC諧振電路等)，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。

定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開(kāi)關(guān)電路提供。

設(shè)備分類

用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與常規(guī)的工業(yè)電機(jī)不同。電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常要求頻繁的啟動(dòng)/停車、加速/減速，低速或爬坡時(shí)要求高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)要求低轉(zhuǎn)矩，并要求變速范圍大。而工業(yè)電機(jī)通常優(yōu)化在額定的工作點(diǎn)。因此，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)比較獨(dú)特，應(yīng)單獨(dú)歸為一類。

對(duì)無(wú)刷電機(jī)而言，根據(jù)電機(jī)是否具有位置傳感器，又分為有位置傳感器無(wú)刷電機(jī)和無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)。對(duì)于無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)，必須要先將車用腳蹬起來(lái)，等電機(jī)具有一定的旋轉(zhuǎn)速度以后，控制器才能識(shí)別到無(wú)刷電機(jī)的相位，然后控制器才能對(duì)電機(jī)供電。由于無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)零速度啟動(dòng)，所以在2000年以后生產(chǎn)的電動(dòng)車上用得較少。電動(dòng)車行業(yè)內(nèi)使用的無(wú)刷電機(jī)，普遍采用有位置傳感器無(wú)刷電機(jī)。旋轉(zhuǎn)180°，線圈不動(dòng)，霍耳元件感應(yīng)到S極磁場(chǎng)，此時(shí)P1與R2截止，P2與R1導(dǎo)通，可以看到電流i’從電池正極經(jīng)過(guò)R1、線圈、P2流到電池負(fù)極。通電線圈中的A點(diǎn)的電流i’方向是指向接線頭的方向(矢量方向與i’矢量方向相反)，磁鋼受到線圈的反作用力，一樣產(chǎn)生向逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)力矩。電動(dòng)車用無(wú)刷電機(jī)的磁鋼數(shù)量比較多，線圈一般有3組，每組線圈都有相應(yīng)的霍耳元件(3相線圈有3個(gè)霍耳元件)，這樣電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)就更平穩(wěn)，效率更高。當(dāng)磁鋼旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍耳元件感應(yīng)到磁場(chǎng)方向變化后給出相應(yīng)控制信號(hào)，無(wú)刷控制器根據(jù)此信號(hào)控制著上3路與下3路功率管的導(dǎo)通與截止。

有刷電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)的比較

有刷電機(jī)與無(wú)刷電機(jī)的通電原理上的區(qū)別：有刷電機(jī)是由碳刷與換向器進(jìn)行機(jī)械換向，無(wú)刷電機(jī)是靠霍耳元件感應(yīng)信號(hào)由控制器完成電子換向。有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的通電原理不一樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不一樣。對(duì)輪轂式電機(jī)而言，電機(jī)力矩的輸出方式(是否經(jīng)過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)減速)不一樣，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也不一樣。

1、常見(jiàn)高速有刷電機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機(jī)由內(nèi)置高速有刷電機(jī)心、減速齒輪組、超越離合器、輪轂端蓋等部件組成。高速有刷有齒輪轂式電機(jī)屬于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。

2、常見(jiàn)低速有刷電機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機(jī)由碳刷、換相器、電機(jī)轉(zhuǎn)子、電機(jī)定子、電機(jī)軸、電機(jī)端蓋、軸承等部件組成。低速有刷無(wú)齒輪轂式電機(jī)屬于外轉(zhuǎn)子電機(jī)。

3、常見(jiàn)高速無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機(jī)由內(nèi)置高速無(wú)刷電機(jī)心、行星摩擦滾子、超載離合器、輸出法蘭、端蓋、輪轂外殼等部件組成。高速無(wú)刷有齒輪轂電機(jī)屬于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。

4、常見(jiàn)低速無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機(jī)由電機(jī)轉(zhuǎn)子、電機(jī)定子、電機(jī)軸、電機(jī)端蓋、軸承等部件組成。低速無(wú)刷無(wú)齒輪轂式電機(jī)屬于外轉(zhuǎn)子電機(jī)。

主要特性

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)之所以被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)相比具有以下二方面的優(yōu)勢(shì)。

(1)壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、可靠性高。在有刷直流電動(dòng)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(shí)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(dòng)齒輪的潤(rùn)滑問(wèn)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(wèn)題。因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)很明顯。

(2)效率高、節(jié)能。一般而言，因無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)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(jì)中的最高性價(jià)比，為減少材料消耗，一般設(shè)計(jì)為76%。而有刷直流電動(dòng)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。