1.永磁无刷直流电动机的结构
永磁无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器和转子位置传感器3部分组成。
1)电动机本体
永磁无刷直流电动机的电动机本体由定子和转子两部分组成。
定子是电动机本体的静止部分,它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成,如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。
转子是电动机本体的转动部分,是产生激磁磁场的部件,由永磁体、导磁体和支撑零部件组成。
2)电子换相器
电子换相器由功率开关和位置信号处理电路构成,主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。永磁无刷直流电动机本质上是自控同步电动机,电动机转子跟随定子旋转磁场运动,因此,应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电,使之产生旋转的定子磁场。永磁无刷直流电动机的三相绕组中通过的电流是120°电角度的方波,绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。而在开关换相期间,随着电流从一相转移到另一相,定子磁场随之跳跃了一个电角度。而转子磁场则随着转子连续旋转。这两个磁场的瞬时速度不同,但是平均速度相等,因此能保持“同步”。永磁无刷直流电动机由于采用了自控式逆变器即电子换相器,电动机输入电流的频率和电动机转速始终保持同步,电动机和逆变器不会产生震荡和失步,这也是永磁无刷直流电动机的优点之一。
一般来说,对电子换向器的基本要求是:结构简单;运行稳定可靠;体积小,重量轻;功耗小;能按照位置传感器的信号进行正确换向,并能控制电动机的正反转;应能长期满足不同环境条件的要求。
3)位置传感器
位置传感器在永磁无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用,为功率开关电路提供正确的换相信息,即将转子磁极的位置信号转换成电信号,经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相。由于功率开关的导通顺序与转子转角同步,因而位置传感器与功率开关一起,起着与传统有刷直流电动机的机械换向器和电刷相类似的作用。位置传感器的种类比较多,可分为电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。电磁式传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长等优点,但其体积比较大,信噪比较低且输出为交流信号,需整流滤波后才能使用。光电式位置传感器性能比较稳定,体积小、重量轻,但对环境要求较高。磁敏式位置传感器的基本原理为霍尔效应和磁阻效应式,对环境适应性很强,成本低廉,但精度不高。
图5-20是某永磁无刷直流电动机实物图。
2.永磁无刷直流电动机的特点
(1)外特性好,非常符合新能源汽车的负载特性,尤其是具有低速大转矩特性,能够提供大的起动转矩,满足新能源汽车的加速要求;
图5-20 永磁无刷直流电动机实物图
(2)可以在低、中、高宽速度范围内运行,而有刷电动机由于受机械换向的影响,只能在中低速下运行;
(3)效率高,尤其是在轻载车况下,仍能保持较高的效率,这对保存珍贵的电池能量是很重要的;
(4)过载能力强,比Y系列电动机可提高过载能力两倍以上,可满足新能源汽车的突起堵转需要;
(5)再生制动效果好,因永磁无刷直流电动机转子具有很高的永久磁场,在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态,给电池充电,同时起到电制动作用,减轻机械制动负担;
(6)体积小、重量轻、比功率大,可有效地减轻重量、节省空间;
(7)无机械换向器,采用全封闭式结构,防止尘土进入电动机内部,可靠性高;
(8)控制系统比交流异步电动机简单。
永磁无刷直流电动机作为新能源汽车用电动机,具有以下缺点。
(1)电磁转矩波动较大。由于定子磁场换向的不连续性,电动机电磁转矩的波动比有刷直流电动机和交流异步电动机大;
(2)成本较高。电动机采用了永磁体,控制器的电子元器件也相对较多,因而电动机的成本较高;
(3)能耗较大。由于转子为永磁体,无法调节,弱磁调节必须通过增大定子直轴去磁电流分量来削弱磁场,这样就增大了定子的电流,铜损较大;
(4)需要用转子位置传感器。由于需要根据转子位置来控制定子绕组换向,因此,这种电动机必须要有转子位置传感器,这会增加电动机结构的复杂性和故障的概率。
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