电动摩托车用小型电机的种类、特性介绍

电动摩托车用小型电机的种类、特性报告

电动机是电动摩托车的一个重要部件,目前在电动摩托车驱动领域，主要有直流电动机驱动系统、交流永磁电动机驱动系统和开关磁阻电动机驱动系统应用范围比交广泛。

1 直流电动机驱动系统 １.1 直流电机的工作原理

下图为直流电动机的物理模型，N 、S 为定子磁极，abcd 是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端ａ、ｄ连接到两个相互绝缘并可随电枢一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。换向片与电刷滑动接触。把电刷A 、B 接到直流电源上,电刷A 接正极,

电刷B 接负极。此时电枢线圈中将有电流流过，根据左手定则,电枢逆时针旋转。

当电枢旋转几何中性线时，F ＝0，电枢由于惯性继续运转。取下图所示位置,原N 极性下导体ab 转到Ｓ极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd 转到N 极下，受力方向从右向左，该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆

时针方向旋转，直流电动机在直流电源作用下转动起来。 1.2 直流电机的数学方程 １.2.1 电枢中感应电动势

电枢中通入直流电流后，产生电磁转矩,使电机在磁场中转动。而通电线圈在磁场中转动,又会在线圈中产生感应电动势Ｅ。

感应电动势为:n K E

E φ=

式中,K E ——与电机结构相关的参数; Φ——电机每极磁通量,Wb; ｎ——电机转速，ｒ/min 。

1．２．２ 电枢电压方程

如图所示,a a R I E U += 式中，U ——外接电源电压，V ； I a ——电枢电流,A ； R a ——电枢电阻，Ω。 1.２．3 电磁转矩方程

a T I K T φ=

式中，T ——电磁转矩，Nm ；

ＫT ——与电机结构相关的常数。

1．3 直流电机的机械特性

直流电机按照励磁方式可分为两种,永磁式和电励磁式。电磁式是由磁性材料提供磁场；电励磁式是由磁极上绕线圈，在线圈中通入直流电,来产生电磁场。根据励磁线圈和转子绕

组的连接关系，励磁式的直流电机可以分为:串励电机、他励电机、并励电机、复励电机。

1.３.１ 串励直流电机的机械特性

串励直流电机数学模型：

⎪⎪

⎩

⎪

⎪⎨⎧=++===a f a a a T E I K R R I E U I

K T n K E φφφφ)(

式中，Ｒf ——串励绕组电阻，Ω。 ＫΦ——励磁系数。 由此可推出：

φ

φ

K K

R R

T

K K U K n E f a E T +-

=

这种励磁方式的特点是:当电压Ｕ一定时，随负载转矩的增大,ｎ下降很快,电机不会因为负载增大而过载，但当负荷趋于0时，转速n 趋于无穷，故串励直流电机不能空载运行。

1.3.2 他励直流电机的机械特性

当励磁电流一定时，磁通Φ为常数,点击的数学模型为：

M

U

+

-

E 0

⎪⎩

⎪

⎨⎧+===a a a T E R

I E U I K T n K E φφ

由此可推出：T K K R K U

n T E a E 2

φ

φ-=

这种励磁方式的特点是:在电枢电压一定时,由于他励电机的电枢电阻R a 很小，所以在负载转矩变化时,转速n 的变化不大，电机特性也较硬。永磁直流电机和并励电机也有类似的机械特性。

1.3．３ 复励直流电机的机械特性

他励直流电机的机械特性很硬,串励直流电机的机械特性很软，复励直流电机可以结合两者的特性。如果串励绕组的磁势与并励绕组的磁势方向相同,叫积复励直流电机；方向相反,叫差复励直流电机。

积复励直流电机的机械特性可以借鉴他励式的机械特性方程,曲线的形状取决于串励磁势的强弱。

T K K R K U n T E a

E 2

φ

φ-=

则电机的总励磁磁通为:C B φφφ+=，其中并励磁通为B φ,串励磁通为B φ。

直流电机驱动系统具有成本低、易于平滑调速、过载能力强、系统可靠性好,但是由于需要换向器(整流子)和电刷，存在着机械磨损,影响了电机的效率。

２ 交流永磁电动机驱动系统

交流永磁电机主要包含两大类：永磁同步电机（Perm ａnent Magn ｅt Sy ｎc ｈr ｏnous Moto

Bru ｓｈle ｓs DC Ｍotor,B ＤC Ｍ)。两者最主要的区别在ＰMSM 每相感应出的电动势波形为

:

B m

B m

2．1

Magne ｔ S ｙnchro ｎｏu ｓ Ｍotor,PMS Ｍ）

,从而省去了励磁线而产生旋转磁场,根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，不论定子旋转磁极与永磁转子起始时的相对位置如何，定子的旋转磁极由于磁拉力拖着转子同步旋转，同步电机转速可表示为:

n

n s

p f

n

60

式中，f s为电源频率；ｐn为电机极对数。

永磁同步电机系统以其高效、高控制精度、高转矩密度等特点在电动车电驱动系统中

具有很高的应用价值。但是由于电动车的复杂运行工况造成的电机参数随温度、转速等因素的变化对系统的控制性能产生很大的影响。

2.2无刷直流电机（Brｕsｈlesｓ DC Ｍotｏｒ,BDCM)

2.2．1 无刷直流电机工作原理

无刷直流电机是用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极，将原直流电机的电枢变为定子。有刷直流电机是依靠机械转向器将直流通入到转子绕组上,颠倒原直流电机定、转子和采用永磁体的好处是省去了机械换向器和电刷,消除了机械磨损,提高了功率密度。

无刷直流电机的位置传感器、控制电路以及功率开关器件组成的换向装置,使得无刷直流电机在运行过程中由定子绕组所产生的磁场和转动中的转子所产生的永磁磁场,在空间中始终保持９0°的电角度。

下面以三相星形绕组半控桥电路加以说明无刷直流电机工作原理。图中,3个光电位置传感器VＰ1、VP2、VP3的安装位置各相差12０°，V1、V2、Ｖ３是三个功率管。当VP1为高电平时，V１导通,电流流入A-Ａ’,在定转子相互磁场的作用下使转子的磁极按照顺时针方向转动,当转子转过１２0°后，ＶP2为高电平,VＰ1为低电平,从而使V1截止，Ｖ２导通,电流从绕组A－Ａ’断开而流入Ｂ-Ｂ’，转子磁场的作用下照顺时针方向继续转动12０°后，ＶＰ3为高电平，VP2为低电平,从而使V2截止,V3导通，电流从绕组Ｃ-C’流入。由此可见,是位置传感器实现了各相绕组电流的换向。

+

2.2.2无刷直流电机数学模型

（1）电压方程

假设磁路不饱和，不计涡流和磁损耗,三相绕组完全对称,则三相绕组的电压平衡方程可表示为：