两轮电动车用电机及驱动方式_陈家新

两轮电动车用电机及驱动方式
陈家新　(上海大学特种电机研究室,上海市　200072)
摘　要:鉴于不同种类的电机以及不同驱动方式对电动车性能影响较大,考虑到两轮电动车车辆是我国今后一段时期内研究和开发的热点,因此本文将重点论述电动车用各种电机以及驱动方式的特点,然后,结合不同用途的车辆,提出选择电机以及驱动方式的意见。

关键词:永磁直流电机;永磁无刷直流电机;轮毂电机
1　引言
为了保护环境及解决能源紧张的目的,拥有广阔市场和巨大经济效益的电力驱动车辆正成为当今许多国家研究和开发的重点,象欧、美、日等发达国家的政府为了支持本国的电动车行业的发展,还纷纷制定了不少鼓励和扶持政策。

我国虽然起步较晚,但是通过近两年的努力,我国的电动车尤其是电动自行车获得了长足的发展,电动车生产厂商由原来2000年的120多家增长到今年的200多家,自行车的销售数量预测今年将达到30万辆[3]。

然而,在发展的同时,也逐渐暴露出一些不足,比如车辆驱动形式单一,几乎都一致采用轮鼓电机直接驱动方式,几乎没有任何能量回收装置。

这些问题严重制约着电动车性能的提高,产生这些问题的根本原因主要有两条:
(1)我国的电动车还处于刚刚起步阶段,电动车的生产和制造还处于生产原来普通自行车水平。

(2)对电机及驱动方式存在一些模糊认识,以致设计和选用的电机及车辆驱动方式没有充分考虑到消费者的实际需要。

随着电动车的发展,上述两点中的第二条最为关键。

鉴于这一点以及当前两轮电动车是我国今后一段时期发展的热点,因此本文重点讨论电机及驱动方式对两轮电动车辆的性能的影响。

2　两轮电动车用电机性能比较
■永磁直流有刷电机,以下简称永磁直流电机,运行可靠性高,调速性能好,过载能力强,控制方法简单,虽热存在电刷磨损需要维护问题,但是在低速运行时,其电刷的磨损极小,一般在5000小时以内免维护,因此它较适合用于低速的直接驱动的电力驱动系统中。

■永磁无刷直流电机,具有永磁直流电机的良好调速性能及交流电机的高可靠性、长寿命、免维护的特点,适用于宽范围调速的电力驱动系统。

由于其磁密波形接近梯形且不存在“无火花换向区”的限制,其功率密度和效率高于永磁直流电机,作为电机本身,其性能上具有极强的优势。

从整车电力驱动系统来讲,它需要控制器的紧密配合才能运行,这种控制器的复杂程度远比永磁直流电机控制器高,成本是有刷的近3倍。

作为控制器上的关键器件如大功率器件,是易损器件,在运行过程中存在上下桥臂直通现象,加上不同的进货渠道,其质量也难于把握,这些因素对控制器的可靠性构成了威胁。

考虑到功率器件的价格和容量的限制,以及无刷直流电机在换向过程中所引起的转矩波动,它的实际最大出力力矩远低于它本身的能力,这也正是目前人们所说的永磁直流无刷电机的出力没有永磁直流电机的大的关键原因。

这些都是目前使用永磁
直流无刷电机所必须认真考虑的因素。

■开关磁阻电机结构坚固、耐用、可靠,它采用双凸极结构,定子采用集中绕组,转子无励磁,因此转子不用维护,定子绕组电流的单向性,使控制系统设计相对简单,不会出现功率器件直通现象,适用于宽范围调速。

但是开关磁阻电机的缺点也很明显,这就是其功率密度和效率没有永磁无剧直流电机高,其振动和噪声也较大,多用于电动汽车上。

■感应电机有统一的工业标准,它有高效率、高能量密度、高可靠性、价格低廉的特点。

由于其控制系统需要用高档的微处理器,其电路复杂,加上转差损耗,在小功率电机中极少采用,主要用于电动汽车。

3　驱动方式对两轮电动车性能的影响目前两轮电动车主要有三种:一是全电动型自行车。

二是电动助力自行车(PAS),三是电动摩托车。

全电动自行车完全依靠电力就可以行驶;电动助力自行车电机的出力是需要人力的驱动为前提的,人力和电力的比通常为1∶1,即所谓的1+1系统,这种系统在日本较为通常采用。

无论它们两者有这样那样的区别,至少有一点是共同的,这就是要求人力能够正常骑行,而电动摩托车无需考虑人力骑行问题。

由于受当前电池技术的限制以及电动自行车对蓄电池容量要求不高,当前发展电动自行车以及电动助力车是较为适宜的。

根据国家质量技术监督局1999年10月1日颁布实施的《电动自行车通用技术条例》规定,电动自行车的最高时速不得超过20km。

由于这个速度较低,上述四种电机都能够胜任,但考虑到成本、机械加工以及技术复杂程度等因素,目前两轮电动车主要采用永磁直流电机以及永磁无刷直流电机。

而开关磁阻电机以及交流异步电机主要用在电动汽车。

永磁直流电机以及永磁无刷直流电机当前都有质量较好的产品,如上海新联的永磁直流有刷电机。

南京天地的永磁无刷直流电机。

目前,电动自行车的驱动方式有四种:
(1)轮毂电机直接驱动式
(2)中轴式
(3)旁挂式
(4)磨擦式
由于磨擦式靠摩擦轮胎推进,对轮胎的磨损较为严重,此外由于泥水等因素造成打滑现象,给雨雪天气行车带来了困难和威胁,因此仅在极少场合下使用。

当前我国极大多数厂商的产品都采用轮毂电机直接驱动方式,采用这种方式的好处是:电动车制造商可以不对车型作大的改动,即可装车,这种方式比较容易在试制阶段采用。

但是从电动自行车本身的两个功能来看,采用轮毂电机直接驱动方式,由于磁阻造成的力矩,以及人力骑行时的电机发电问题,实际使人力骑行时感到十分费力。

中轴式对机械的设计和制造水平较高。

通过采用双飞结构,解决了人力骑行困难问题。

旁挂式相对要求较低,只是在后轮上增加了一条链条来驱动,而且骑行时电机不转动,因此不存在磁阻转矩以及发电问题,可减轻人力负担问题,如果在造型上下点功夫。

无疑旁挂式将是电动自行车非常好的驱动方式。

值得一提的是上述的驱动方式还可以进一步划分,如除了轮毂直接驱动方式外,轮毂电机还有带减速齿轮(减速比为1∶7和1∶22两种)以及同步带减速齿轮(减速比为1∶25);中轴式可以继续划分为同轴式(减速比为1∶50)以及非同轴式(减速比为1∶35)。

用于电动自行车的电机功率70～235W,主要为135～180W。

按照转速可以归为三类:一是低速电机,主要用于轮毂直接驱动方式,电机转速为174rpm(24”);二是中速电机,800～1800rpm,轮毂式齿轮减速以及1级减速的旁挂式(减速比为1∶5);三是高速电机。

2400～
4500rpm,主要用于轮毂式同步带减速或齿轮减速,中轴驱动、2级减速的旁挂式(减速比为1∶22)以及摩擦式(减速比为1∶17)。

电动摩托车,目前主要采用有刷电机,但今年以来部分厂商开始采用永磁无刷直流电机。

电动摩托车的驱动方式有两种:一是轮毂直接驱动,二是中轴式驱动。

中轴式不但对机械设计和制造工艺要求较高,而且中轴式电机及减速机构占了原来已经有些紧张的空间,这些都是它们的缺点。

它的优点是电机及变速机构重量较轻,体积也不大;采用轮毂电机直接驱动式,没有传动结构,结构简单,增大了骑行空间,对能量再生控制的实现也较为有利。

由于摩托车的性能本身不需要考虑人力骑行,因此其磁阻转矩以及发电问题,可以忽略。

考虑到我国研制电动车还刚刚处于起步阶段,电动摩托车只有极少数厂商涉及,当前采用轮毂方式较多,笔者所在研究室研制的电动摩托车用400W永磁无刷直流轮毂电机,最高速度达到45km/h,骑行的效果还是不错的。

4　现有电动车用电机存在的主要问题及探索
电动车用电机的控制有两类:一是恒转矩控制,二是恒功率控制。

对于永磁直流无刷电机而言,要扩大恒功率控制区域,增大调速范围,一般就需要用到弱磁控制。

而由永磁体建立的磁场要实施这一控制难度较大,目前主要解决方法就是增大提前导通角,这种方法在理论上是可以得到证实的,在实验中也是可以看到的,然而由于其反电动势的波形绝非真正意义上的梯形波以及电感值是变量,要真正做到在基速以上区域实现恒功率控制,实质是很难的。

目前这种方法尚在研究之中。

有文献报道[1],开始使用双绕组,这种双绕组的效果一是减小起动时的电流;二是可以扩大调速范围,从而有可能避免弱磁控制问题。

再次,关于永磁直流无刷电机的平波问题,目前主要采用保证中线点电位恒定以实现电机的平波补偿问题,关于这些方法的文章有很多,但是这种方法只能解决部分平波问题,在有些条件下就难以实现平波补偿[4],因此完整的平波解决方法有待于进一步解决。

关于磁阻力问题,由于目前使用的稀土永磁材料,其气隙磁密一般都在0.8～1.1T 之间,如果在360度电角度的旋转范围内,其磁路磁阻设计得不均匀,那么电机转动时就会产生各种振动和加大了人力骑行的困难。

开关磁阻电机,为了增大调速范围,遇到了同永磁电机一样弱磁困难的问题,目前一般采用在永磁体上加绕组方法[2]。

然而这种方法终究因为电机结构复杂,在实际应用中较为困难。

异步电机以前的调速控制一般采用VVVF方法,但是在低速时较难以实现,目前一般采用直接转矩控制方法,这种直接转矩控制方法是建立磁链观察器的基础上。

磁链观察器以前是观察转子磁链,目前人们试图观察定子磁链,来实现直接转矩的控制。

5　结论
因电动车还处于飞速发展期,此时断言它的发展趋势为时尚早,目前只能根据电机和驱动方式的特点以及对不同用途车辆的要求,对电动车制造商提出一些建议:
(1)对于电动自行车和电力助力自行车,如果采用直接驱动方式的轮毂电机能够大幅度降低磁阻力矩以及减少人力骑行时的发电问题,那么它是比较适合电动自行车以及电力助力自行车的要求的。

但是它依赖于电机以及无刷直流电机控制器的设计能力,这种能力是一般制造商难以胜任的。

旁挂式对机械既没有象中轴式的要求那样高,也不会过度地依赖电机以及控制器设计能力,因此对于制造商来讲,旁挂式是一种非常现实的选择。

(2)对于电动摩托车,当前主要选择轮毂电机直接驱动方式,今后随着材料性能以及机械水平的提高中轴式将会获得更为广泛的应用。

一种新型充电器
符玉荷
本文介绍一种新型充电器,电路特点是采用调节脉冲占空比大小来改变充电电流的大小,因而具有调节方便、调节范围宽及充电电压达到设定值后自动停止充电的优点。

因采用脉冲恒流和自动停充装置,故可取得较好的充电效果和延长电池的使用寿命。

一、技术指标
1.脉冲频率:20～30Hz ;
2.占空比范围:3%～98%;
3.充电电流调节范围:9～250mA ;
4.停止充电电压值:3V 或4.5V 。

二、电路原理
电路由整流滤波器、多谐振荡器、电子开关、恒流源及自动停止充电电路等部分组成。

具体线路见图1。

电路图中D1～D4组成桥式整流,C1起
滤波作用,使整流输出电压较为平稳。

NE555时基电路与R1、RV1、C2、D6、D7组成频率不变,且占空比可调的矩形波振荡器。

NE555输出的脉冲电压通过R2及LE D 管(发光二极管,用于指示进行充电)加到Q1管基极,用来控制由Q1与Q2组成的电子开关的通断,电阻R4起限流作用;LM317可调三端稳压器与R7构成恒流源,可通过改变R7阻值来改变充电电流的大小,二极管D5起隔离作用;R8、RV2、C3、Q3管(单向可控硅)、R6与D9组成控制电路,当电池电压充到设定值(例如3V )时能自动停止充电。

C3起滤波作用,R8与RV2组成取样电路,调R V2可改变设定值,D9起隔离作用,R6用来提供维持可控硅导通的电流(它应大于可控硅维持电流I H ),二极管D8用来保护三端稳压器LM317。

◆
图1　电路原理图
参考文献:
[1]　Ja mes H .Ooldl e .A Pratical Permanet Magnet Bas ed Traction Sys tem for Blectric Vehicl es .BVS .14.[2]　R aj es h P .Deodhar ,“The fl ux -reversal machine :a ne w brus hles s doubl y salient per manent magnet machine ”,IBBB
Trans .Ind .Appl .,Vol .33.1997.[3]　周鹤良等.加速电动自行车产业化[J ].电动车辆研究
与开发.Mo .9.2001.
[4]　陈家新等.永磁无刷直流电机相电流补偿技术
的研究[A ].中小型电机年会论文集[C ].◆作者简介:陈家新,男,1968年1月生,博士研究生,上海大学,特种电机研究室,主要从事特种电机设计及其控制。