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电动摩托车用小型电机的种类、特性介绍新
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:
式中,KE——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,
式中,U——外接电源电压,V;
Ia——电枢电流,A;
Ra——电枢电阻,Ω。
1.2.
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
串励直流电机数学模型:
式中,Rf——串励绕组电阻,Ω。
KΦ——励磁系数。
由此可推出:
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
当励磁电流一定时,磁通Φ为常数,点击的数学模型为:
由此可推出:
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Ra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
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。
则电机的总励磁磁通为:,其中并励磁通为,串励磁通为。
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(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)和无刷直流电机(Brushless DC Motor,BDCM)。两者最主要的区别在于永磁体励磁磁场在定子相绕组中感应出的电动势波形:PMSM每相感应出的电动势波形为正弦波,而BDCM为梯形波,如图所示:
2.1永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)
永磁同步电机是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷,定子中通入三相对称交流电。由于电机定子三相绕组接入三相对称交流电而产生旋转磁场,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:
式中,fs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,
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