張 峰

西寧生產(chǎn)力促進(jìn)中心

電動(dòng)自行車傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究

張 峰

西寧生產(chǎn)力促進(jìn)中心

本文主要介紹可電動(dòng)自行車的控制系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。控制系統(tǒng)中電機(jī)主要用于控制器，可對(duì)電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，因某種故障或誤操作而導(dǎo)致的可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時(shí)，電路根據(jù)反饋信號(hào)采取的制動(dòng)斷電、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、欠速保護(hù)、限速保護(hù)等的保護(hù)措施及測(cè)速和調(diào)速功能；傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)方式有直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

無刷電機(jī)；制動(dòng)斷電；電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

一、電動(dòng)自行車的發(fā)展的趨勢(shì)

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

鋰電池等新能源的應(yīng)用將不斷拓展提速。今年，鋰電池電動(dòng)自行車又得到了進(jìn)一步的發(fā)展。好孩子、力霸皇、耀馬、捷安特、永久、富士達(dá)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(chǎng)。從目前鋰電車在北京、上海、南京、濟(jì)南、鄭州等一大批大中城市的銷售情況來看，應(yīng)該講形勢(shì)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(shí)。

產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新將加速發(fā)展。新產(chǎn)品提升企業(yè)已成為趨勢(shì)，時(shí)尚的產(chǎn)品，多功能的產(chǎn)品，將占領(lǐng)銷售市場(chǎng)。最重要的是，新產(chǎn)品將在技術(shù)創(chuàng)新方面日益成熟，包括永磁高速無刷電機(jī)、微電腦控制技術(shù)、輕合金材料技術(shù)、自動(dòng)焊接技術(shù)等一批先進(jìn)技術(shù)將在電動(dòng)自行車中得到更加廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)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(dòng)自行車技術(shù)創(chuàng)新的核心，將成為激發(fā)更大市場(chǎng)需求的內(nèi)在動(dòng)力。

二、電動(dòng)自行車常用電動(dòng)機(jī)及要求

電動(dòng)車用電機(jī)一般是直流電機(jī)，用有、無永久磁鐵分類，有永磁電機(jī)和串激電機(jī)兩類。電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分叫轉(zhuǎn)子，不轉(zhuǎn)動(dòng)叫定子。永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子或定子有一個(gè)是永久磁鐵，另一個(gè)則是漆包線繞的線包；串激電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子都是漆包線繞制的線包。同樣功率的電機(jī)，永磁電機(jī)比串激電機(jī)省電。

目前電動(dòng)車電機(jī)普遍采用永磁直流電機(jī)。所謂永磁電機(jī)，是指電機(jī)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(shí)消耗的電能，提高了電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，這對(duì)使用車載有限能源的電動(dòng)車來講，可以降低行駛電流，延長(zhǎng)續(xù)行里程。電動(dòng)車電機(jī)按照電機(jī)的通電形式來分，可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩大類；按照電機(jī)總成的機(jī)械結(jié)構(gòu)來分，一般分為“有齒”(電機(jī)轉(zhuǎn)速高，需要經(jīng)過齒輪減速)和“無齒”(電機(jī)扭矩輸出不經(jīng)過任何減速)兩大類。

三、無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較

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

圖1 永磁無刷直流電機(jī)

永磁有刷直流電機(jī)的工作原理有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)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(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護(hù)工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。

由換當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外接通向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

四、電動(dòng)車調(diào)速器

直流無刷電機(jī)本質(zhì)上是調(diào)節(jié)直流電壓來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。但是大多數(shù)情況是，出廠的時(shí)候廠家一般也會(huì)固化這類控制器在電機(jī)上，對(duì)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(jī)制，只需要對(duì)電機(jī)控制輸入端輸入控制信號(hào)即可輕松實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

調(diào)速器是通過改變輸出方波的占空比使負(fù)載上的平均電流功率從0-100%變化、從而改變負(fù)載、燈光亮度/電機(jī)速度。利用脈寬調(diào)制(PWM)方式、實(shí)現(xiàn)調(diào)光/調(diào)速、它的優(yōu)點(diǎn)是電源的能量功率、能得到充分利用、電路的效率高。例如：當(dāng)輸出為50%的方波時(shí)，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(zhuǎn)換給負(fù)載。此外HW-A-1020型調(diào)速因其采用開關(guān)方式熱耗幾乎不存在、HW-A-1020型調(diào)速在低速時(shí)扭矩非常大、因?yàn)檎{(diào)速器帶有自動(dòng)跟蹤PWM、另外采用脈寬調(diào)制(PWM)方式、可以使負(fù)載在工作時(shí)得到幾乎滿電源電壓、這樣有利于克服電機(jī)內(nèi)在的線圈電阻而使電機(jī)產(chǎn)生更大的力矩率。

全球經(jīng)濟(jì)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(dòng)車在能源、環(huán)境發(fā)面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)力。在電動(dòng)車的電機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)中為了節(jié)約時(shí)間，我們應(yīng)充分考慮電機(jī)性能的要求，避免在設(shè)計(jì)完成以后再去進(jìn)行補(bǔ)救措施。因此，設(shè)計(jì)時(shí)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(hù)電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行，在進(jìn)行抗干擾改良以免在調(diào)速的過程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)過載短路等現(xiàn)象，所以進(jìn)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(dòng)車的核心元件進(jìn)行分析我們知道電動(dòng)車的控制器是電動(dòng)車中的核心關(guān)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(dòng)車的保護(hù)系統(tǒng)的能力下降只要認(rèn)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(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。