電動自行車傳動系統(tǒng)中的電機技術的應用研究

張 峰

西寧生產(chǎn)力促進中心

電動自行車傳動系統(tǒng)中的電機技術的應用研究

張 峰

西寧生產(chǎn)力促進中心

本文主要介紹可電動自行車的控制系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)中的電機技術的應用?？刂葡到y(tǒng)中電機主要用于控制器，可對電動機動機在運行中，因某種故障或誤操作而導致的可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時，電路根據(jù)反饋信號采取的制動斷電、欠壓保護、過流保護、過載保護、欠速保護、限速保護等的保護措施及測速和調(diào)速功能；傳動系統(tǒng)中電機主要用于驅動裝置，傳動系統(tǒng)中常用的驅動方式有直流驅動系統(tǒng)和感應電動機驅動系統(tǒng)。

無刷電機；制動斷電；電機保護系統(tǒng)

一、電動自行車的發(fā)展的趨勢

輕量化的發(fā)展趨勢。一方面，消費者特別是城市消費者偏好正在向更輕巧、更便捷、更安全、更舒適方面轉變，另一方面，隨著政府管理力度的加大，電動摩托車的管理模式將逐漸明確，可能只有符合國家標準的電動自行車才能繼續(xù)享受非機動車的待遇，這在客觀上要求電動自行車向輕量化的方向發(fā)展(輕量化我認為無論如何講都應該是電動自行車未來發(fā)展的首要趨勢或者是主流趨勢)。

鋰電池等新能源的應用將不斷拓展提速。今年，鋰電池電動自行車又得到了進一步的發(fā)展。好孩子、力霸皇、耀馬、捷安特、永久、富士達等一大批企業(yè)推出了鋰電車，作為中高端產(chǎn)品投放市場。從目前鋰電車在北京、上海、南京、濟南、鄭州等一大批大中城市的銷售情況來看，應該講形勢還是良好的，發(fā)展鋰電車已經(jīng)成為多數(shù)企業(yè)的共識。

產(chǎn)品技術創(chuàng)新將加速發(fā)展。新產(chǎn)品提升企業(yè)已成為趨勢，時尚的產(chǎn)品，多功能的產(chǎn)品，將占領銷售市場。最重要的是，新產(chǎn)品將在技術創(chuàng)新方面日益成熟，包括永磁高速無刷電機、微電腦控制技術、輕合金材料技術、自動焊接技術等一批先進技術將在電動自行車中得到更加廣泛的應用。電動自行車生產(chǎn)過程和產(chǎn)品本身，也將更加節(jié)能、高效、低碳排放和可循環(huán)，節(jié)能、環(huán)保、高效將是電動自行車技術創(chuàng)新的核心，將成為激發(fā)更大市場需求的內(nèi)在動力。

二、電動自行車常用電動機及要求

電動車用電機一般是直流電機，用有、無永久磁鐵分類，有永磁電機和串激電機兩類。電機旋轉部分叫轉子，不轉動叫定子。永磁電機的轉子或定子有一個是永久磁鐵，另一個則是漆包線繞的線包；串激電機的轉子和定子都是漆包線繞制的線包。同樣功率的電機，永磁電機比串激電機省電。

目前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構來分，一般分為“有齒”(電機轉速高，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。

三、無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較

磁無刷直流電動機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機，其性能與恒定勵磁電流的他勵直流電動機相似，可以由改變電樞電壓來方便地調(diào)速。與他勵式直流電動機相比，具有體積小、效率高、結構簡單、用銅量少等優(yōu)點，是小功率直流電動機的主要類型。由于永磁無刷直流電機的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流；由于轉子中無交變磁通，其轉子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高10%左右，一般來說，永磁直流電機的力能指針(ηcosθ)比同容量三相異步電動機高12%-20%。

圖1 永磁無刷直流電機

永磁有刷直流電機的工作原理有刷電機的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，使電機旋轉帶動負載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機的結構復雜，可靠性差，故障多，維護工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。

由換當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外接通向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

四、電動車調(diào)速器

直流無刷電機本質(zhì)上是調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn)轉速調(diào)節(jié)。但是大多數(shù)情況是，出廠的時候廠家一般也會固化這類控制器在電機上，對外只留有控制端接口?？刂破鏖_發(fā)人員不需要了解其內(nèi)部升降壓的機制，只需要對電機控制輸入端輸入控制信號即可輕松實現(xiàn)電機調(diào)速。

調(diào)速器是通過改變輸出方波的占空比使負載上的平均電流功率從0-100%變化、從而改變負載、燈光亮度/電機速度。利用脈寬調(diào)制(PWM)方式、實現(xiàn)調(diào)光/調(diào)速、它的優(yōu)點是電源的能量功率、能得到充分利用、電路的效率高。例如：當輸出為50%的方波時，脈寬調(diào)制(PWM)電路輸出能量功率也為50%，即幾乎所有的能量都轉換給負載。此外HW-A-1020型調(diào)速因其采用開關方式熱耗幾乎不存在、HW-A-1020型調(diào)速在低速時扭矩非常大、因為調(diào)速器帶有自動跟蹤PWM、另外采用脈寬調(diào)制(PWM)方式、可以使負載在工作時得到幾乎滿電源電壓、這樣有利于克服電機內(nèi)在的線圈電阻而使電機產(chǎn)生更大的力矩率。

全球經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展使人們迫切希望尋求到一種既代替人力又低排放和有效利用資源的交通工具，電動車在能源、環(huán)境發(fā)面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力。在電動車的電機保護設計中為了節(jié)約時間，我們應充分考慮電機性能的要求，避免在設計完成以后再去進行補救措施。因此，設計時從改良換向問題，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能等方面采取各種措施來提高系統(tǒng)性能。保護電機的啟動和運行，在進行抗干擾改良以免在調(diào)速的過程中出現(xiàn)堵轉過載短路等現(xiàn)象，所以進行各種調(diào)速系統(tǒng)的比較選擇一種優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)，從電動車的核心元件進行分析我們知道電動車的控制器是電動車中的核心關鍵，因此，我們特別注意了控制器空的元器件，防止控制器出現(xiàn)問題是電動車的保護系統(tǒng)的能力下降只要認真分析系統(tǒng)所處環(huán)境，采取合適的改良方法就能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行。