一文看懂電機原理、分類到應(yīng)用

電動車電機根據(jù)其使用環(huán)境與使用頻率的不同，形式也不同。不同形式的電機其特點也不一樣。電動車電機普遍采用永磁直流電機。所謂永磁電機，是指電機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消耗的電能，提高了電機機電轉(zhuǎn)換效率，這對使用車載有限能源的電動車來講，可以降低行駛電流，延長續(xù)行里程。電動車電機按照電機的通電形式來分，可分為有刷電機和無刷電機兩大類;按照電機總成的機械結(jié)構(gòu)來分，一般分為“有齒”(電機轉(zhuǎn)速高，需要經(jīng)過齒輪減速)和“無齒”(電機扭矩輸出不經(jīng)過任何減速)兩大類。電動機是一種旋轉(zhuǎn)式電動機器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，它主要包括一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子。

組成結(jié)構(gòu)

1.永磁式直流電機：

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.無刷直流電機：

由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。無刷直流電機的特點是無刷，采用半導(dǎo)體開關(guān)器件(如霍爾元件)來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(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、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點。

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

3.高速永磁無刷電機：

由定子鐵心、磁鋼轉(zhuǎn)子、太陽輪、減速離合器、輪轂外殼等組成。

電機蓋子上面可以裝上霍爾傳感器，用以測速。

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刷直流電動機，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，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。電動汽車多用的是霍爾元件。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，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，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

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

設(shè)備分類

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

對無刷電機而言，根據(jù)電機是否具有位置傳感器，又分為有位置傳感器無刷電機和無位置傳感器無刷電機。對于無位置傳感器的無刷電機，必須要先將車用腳蹬起來，等電機具有一定的旋轉(zhuǎn)速度以后，控制器才能識別到無刷電機的相位，然后控制器才能對電機供電。由于無位置傳感器無刷電機不能實現(xiàn)零速度啟動，所以在2000年以后生產(chǎn)的電動車上用得較少。電動車行業(yè)內(nèi)使用的無刷電機，普遍采用有位置傳感器無刷電機。旋轉(zhuǎn)180°，線圈不動，霍耳元件感應(yīng)到S極磁場，此時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R1、線圈、P2流到電池負(fù)極。通電線圈中的A點的電流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)生向逆時針方向的旋轉(zhuǎn)力矩。電動車用無刷電機的磁鋼數(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個霍耳元件)，這樣電機旋轉(zhuǎn)時就更平穩(wěn)，效率更高。當(dāng)磁鋼旋轉(zhuǎn)時，霍耳元件感應(yīng)到磁場方向變化后給出相應(yīng)控制信號，無刷控制器根據(jù)此信號控制著上3路與下3路功率管的導(dǎo)通與截止。

有刷電機、無刷電機的比較

有刷電機與無刷電機的通電原理上的區(qū)別：有刷電機是由碳刷與換向器進行機械換向，無刷電機是靠霍耳元件感應(yīng)信號由控制器完成電子換向。有刷電機和無刷電機的通電原理不一樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不一樣。對輪轂式電機而言，電機力矩的輸出方式(是否經(jīng)過齒輪減速機構(gòu)減速)不一樣，其機械結(jié)構(gòu)也不一樣。

1、常見高速有刷電機的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機由內(nèi)置高速有刷電機心、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屬于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機。

2、常見低速有刷電機的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機由碳刷、換相器、電機轉(zhuǎn)子、電機定子、電機軸、電機端蓋、軸承等部件組成。低速有刷無齒輪轂式電機屬于外轉(zhuǎn)子電機。

3、常見高速無刷電機的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機由內(nèi)置高速無刷電機心、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。高速無刷有齒輪轂電機屬于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機。

4、常見低速無刷電機的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機由電機轉(zhuǎn)子、電機定子、電機軸、電機端蓋、軸承等部件組成。低速無刷無齒輪轂式電機屬于外轉(zhuǎn)子電機。

主要特性

無刷直流電動機之所以被廣泛應(yīng)用于電動車，是因為它與傳統(tǒng)的有刷直流電動機相比具有以下二方面的優(yōu)勢。

(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(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，因無刷直流電動機沒有機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?？筛哂?5%，但考慮到實際設(shè)計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設(shè)計為76%。而有刷直流電動機的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。

工作原理

電動機(Motors)是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的一種設(shè)備。它是利用通電線圈(也就是定子繞組)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并作用于轉(zhuǎn)子鼠籠式式閉合鋁框形成磁電動力旋轉(zhuǎn)扭矩。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統(tǒng)中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是異步電機(電機定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步速)。電動機主要由定子與轉(zhuǎn)子組成，通電導(dǎo)線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線(磁場方向)方向有關(guān)。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉(zhuǎn)動。

基本介紹

電動機是一種旋轉(zhuǎn)式電動機器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，它主要包括一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子。在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，其在電樞鼠籠式鋁框中有電流通過并受磁場的作用而使其轉(zhuǎn)動。這些機器中有些類型可作電動機用，也可作發(fā)電機用。它是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種機器。通常電動機的作功部分作旋轉(zhuǎn)運動，這種電動機稱為轉(zhuǎn)子電動機;也有作直線運動的，稱為直線電動機。

基本結(jié)構(gòu)

一、三相異步電動機的結(jié)構(gòu)，由定子、轉(zhuǎn)子和其它附件組成。

(一)定子(靜止部分)

1、定子鐵心

作用：電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。

構(gòu)造：定子鐵心一般由0.35～0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。

定子鐵心槽型有以下幾種：

半閉口型槽：電動機的效率和功率因數(shù)較高，但繞組嵌線和絕緣都較困難。一般用于小型低壓電機中。

半開口型槽：可嵌放成型繞組，一般用于大型、中型低壓電機。所謂成型繞組即繞組可事先經(jīng)過絕緣處理后再放入槽內(nèi)。

開口型槽：用以嵌放成型繞組，絕緣方法方便，主要用在高壓電機中。

2、定子繞組

作用：是電動機的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

構(gòu)造：由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。

定子繞組的主要絕緣項目有以下三種：(保證繞組的各導(dǎo)電部分與鐵心間的可靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣)。

(1)對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。

(2)相間絕緣：各相定子繞組間的絕緣。

(3)匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。

電動機接線盒內(nèi)的接線：

電動機接線盒內(nèi)都有一塊接線板，三相繞組的六個線頭排成上下兩排，并規(guī)定上排三個接線樁自左至右排列的編號為1(U1)、2(V1)、3(W1)，下排三個接線樁自左至右排列的編號為6(W2)、4(U2)、5(V2)，.將三相繞組接成星形接法或三角形接法。凡制造和維修時均應(yīng)按這個序號排列。