无刷电动车的浅谈.doc

无刷电动车的浅谈引言（综述） 2一、无刷直流电动机简介 21.1工作方式分类 21.2基本工作原理与结构.3二 无刷直流电动机的应用特点7三. 无刷直流电机与其它电动机的比较.83.1与传统直流有刷电机的比较83.2与异步电动机的比较9四 .无刷电动自行车的优化设计10五.各组成部分发展状况1251电动机本体1252电子换相电路1353转子位置检测电路14六.有待研究问题1461转矩脉动1462无位置传感器的转子位置检测156. 3常见故障检查156.4无刷直流电动机的发展方向16结束语16参考文献17 致 谢18摘 要介绍了无刷直流电动机及其各个组成部分的发展现状，分析了目前无刷直流电动机有待进一步深入研究的问题，并指出了其发展方向。无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。针对将直流无刷电机与摩托车磁电机集合在一起的直流无刷起动磁电机，分析了电机定、转子及驱动电路的设计特点，提出了设计方法。 无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器，不需要减速装置，噪声低等优点，被广泛应用于电动自行车中，本文着重分析了无刷直流电动机的工作原理及结构、控制技术，以及在电动自行车中的应用特点。 关键词: 永磁同步电机 直流变频 无刷直流电动机 原理及结构 控制技术 引 言随着我国改革开放的深入和社会生产力的发展，人们生活节奏的加快，活动范围的不断扩大，人们希望获得一种轻便快捷、简单安全的交通工具。目前电起车上起动电机和磁电机是2台独立的电机。起动电机为有刷永磁直流电动机，工作转速高，需经减速机构和超越离合器与发动机曲轴相连。磁电机飞轮永磁转子与发动机曲轴直接相连，起到发电和给发动机点火系统提供点火触发信号的作用。发动机结构复杂，超越离合器打滑时会严重影响车的起动特性；起动电机通过电刷换向，电刷磨损严重，需要经常维护。直流无刷起动磁电机是将直流无刷起动电机与磁电机合二为一。它省掉了减速机构和超越离合器，简化了发动机结构，提高了运行可靠性。使用它可轻易地将脚踏车改装成电起动车。但电动车的价格越来越低，这就要降低直流无刷起动磁电机成本，电机磁瓦应选用铁氧体磁钢，而不采用钕铁硼材料。直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。 一无刷直流电动机简介 无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成,如图1所示。它具有直流电机那样良好的调速特性,但是由於没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。 （一）在工作原理上有二种不同的工作方式： (1)直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”,如图1所示。是将三相交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。 (2)交流无刷电动机:它是利用交-交变频器向同步机供给交流电。无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。具有高效率,高转矩,高精度的三高特点;同时具有体积小,重量轻,可作成各种体积形状,是当今最高效率的调速电机,与传统直流有刷电机比较,或与交流变频调速比较均有更好的性能;在牵引电机电瓶车EV行业,取代传统直流有刷电机时除可以达到更高效率,更高激活转矩等特性外,由于采用方波驱动,让铅酸蓄电池有时间修补电极板,可以延长蓄电池的寿命,提高约1.3倍的电池容量,综合效率约可提高一倍左右的电池容量,大大的改善了电瓶车的性能.无刷直流电动机在先进国家已大量应用于军事、信息业(IT)、办公设备(OA)、家电业(HA)、DIY手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等;经过本公司十多年的研究开发,目前生产容量已经达75kW,设计容量可达315kW,可以满足产业自动化及流体机械、空调机械的节电驱动应用. 无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。由于本产品具有弹性的尺寸及不同的电气特性,除通用型G系列,高激活转矩M系列外,每一种行业的应用都不尽相同,因此用户订货前必须提出电气特性与机械尺寸的要求，图2示士出永磁无刷直流电动机与异步电动机变频变压的机械特性比较。 （二） 基本工作原理与结构1 工作原理 工作原理一般所说的直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷，转子侧安放电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。然而由于电刷和换向器的存在，结果产生了一系列致命的弱点：a、结构复杂，可靠性差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短。b、换向火花形成电磁干扰。无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。由于无刷直流电动机没有电刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点，就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。一般采用位置传感器来完成，由位置传 感器将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有相应的两部分，转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分通常由电机转子代替），固定部分与定子相连。 图1 无刷直线电动机原理示意图如图1所示，在电动机装配过程中，首先调整好位置传感器的三个信号元件（a、b、c）与电机定子三相绕组（AX，BY，CZ）之间的相对位置，使得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图1中，当电动机转子N极位于A（a）处，则传感器a元件感应出信号，使功率晶体管V1导通，A相绕组中便有电流通过，设其方向为A（流入）、X（流出），便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转；当N极旋转至B（b）处，b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断，B 相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C（c）处，其动作过程与前两处相同。如此反复循环，电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间互差120电角度，因此三相绕组轮流通电时间也因为每相120。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应，在电机安装时应加以注意。2 无刷直流电动机结构组成（1）.总体结构 直流无刷起动磁电机为内定子及飞轮永磁外转子结构，其结构示意图如图1示。 图2 无刷直流电动机基本组成框图飞轮永磁外转子与发动机曲轴固定在一起，飞轮内腔均匀地粘贴有6块N、S极相间铁氧体磁瓦。飞轮端面均匀粘贴有3块用作位置传感器的弧形钕铁硼磁钢，从端面看去极性一致均匀为N极，此磁钢窄、薄、长，采用钕铁硼易加工，综合费用不高。飞轮外周设计有一小凸台，飞轮每旋转1周小凸台与触发器上的铁制凸台相对扫过1次，引起触发器内部永磁磁路磁通变化，在触发器内部线圈感应出一个交变电势，此电势用作发动机点火系统的触发电机内定子铁心由035mm冷轧硅钢片叠压铆接而成，再经电泳塑料绝缘处理后，绕制Y接的直流无刷起动电机三相绕组及单相发电绕组，浸漆烘干后用螺杆固定在电机法兰底座上。底座上还安放着焊接有3个开关型霍尔元件用作位置传感器的弧形印刷电路板。电机法兰底座将固定在发动机机座上。直流无刷起动磁电机的Y接三相绕组与三相半桥驱动电路联接，位置传感器上的3个开关型霍尔元件发来的位置信号经过处理后控制三相半桥驱动电路导通与关断，实现直流无刷起动磁电机电子换向。摩托车起动时，直流无刷起动电机部分由电池供电。摩托车起动后，直流无刷起动电机部分断电，单相发电绕组输出的大小及频率随飞轮转速变化的电势需经调压器给电池充电，同时给摩托车其它电器供电。（2）定子结构直流无刷起动磁电机为内定子结构，电机轴向尺寸有限，结构非常紧凑。以前，为了降低绕组端部高度，设计中采用了图2所示短距集中绕组方案1，即每对磁极下有3个齿，每相1个齿，每个齿上套一相集中绕组，三相绕组在空间上不存在重叠区域。图中A、B、C和F分别代表A、B、C三相起动绕组和交流发电绕组。虽然电机生产加工工艺简单，但绕组实际跨距为120电角度，绕组系数较低，每相绕组基本电磁转矩梯形波的平顶部分最宽为60电角度，三相绕组的合成基本电磁转矩脉动量较大，再叠加上磁阻转矩，最大电磁转矩与最小电磁转矩相差近1倍，为使最小起动转矩大于规定值，只好采用钕铁硼磁瓦，电机成本高，且性能不佳。现在采用图3所示多层整距分部绕组方案。齿槽比短距集中绕组方案多1倍，即每对磁极下有6个齿槽，每相2个槽。先在底部绕属于A相槽的A相这一层部分绕组，然后再绕属于B相槽的B相那一层部分绕组，再绕属于C相槽的C相那一层部分绕组；随后再按上述规律绕属于A、B、C相另外一层部分绕组。每相部分绕组即可串联也可并联，但每条并联支路串联匝数要相同。最后，再在属于A相槽中绕交流发电绕组。虽然绕组绕制工艺复杂了，但它却能有效地降低绕组端部高度，增加铁心有效长度，且绕组系数为1，绕组利用率高。当铁氧体磁瓦的极弧角度大于120电角度时，每相绕组基本电磁转矩梯形波的平顶部分大于120电角度，三相绕组的合成基本电磁转矩为一恒定值。铁氧体磁瓦产生的磁阻转矩也较小，再适当增加轴向铁心长，也能保障最小起动转矩大于规满足设计要求，成本低。（3）转子结构飞轮转子由低碳钢冷拉而成。飞轮转子内腔均匀粘贴的6块铁氧体磁瓦，由于定子上绕制多层整距分部绕组，为了获得较大的电磁转矩，减小脉动，磁瓦的极弧角度选择得远大于120电角度2，3，设计中选择为140电角度。无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。主电路是一个典型的电压型交直交电路，逆变器提供5-26KHz调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差1200的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的6状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1T4导通、T1T6导通、T3T6导通、T3T2导通、T5T2导通、T5T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1T6功率管即按固定组合成6种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动600电角度，转子跟随定子磁场转动相当于600电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进600电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。（4）无刷直流电动机的电磁转矩无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均电流：Tm=KtIav （N?m） (1)电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：ELL=Ke （V） (2)所以电动机绕组中的平均电流为：Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） (3)其中，Vm=?VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：Tm=?（VDC?Kt/2Ra）-Kt?（Ke/2Ra）Kt、Ke是电动机的结构常数，为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的时，改变占空比，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速：Vc（max）n max，那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针（cos）比同容量三相异步电动机高12%-20%。（5）稀土永磁无刷直流电动机的应用近30年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，而无刷直流电动机的电流或电枢的端电压，就是直接控制电动机转矩的物理量。过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，例如，我公司推出得BS系列无刷直流电动机的售价已与异步电动机和普通变频器售价之和相差无几。稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。 二 无刷直流电动机的应用特点 （一）无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动自行车，是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下的优势。（1）寿命长、免维护、可靠性高（2）电压种类多:直流供电,交流高低电压均不受限制.（3）容量范围大:标准品可达400kW,更大容量可以订制.（4）低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出,激活转矩可以达到两倍或更高.（5）高效率:所有调速装置中效率最高,比传统直流电机高出530%.（6）调速范围:简易型/通用型(1:10),高精度型(1:100),伺服型. （7）高精度运转:不超过1 rpm.(不受电压变动或负载变动影响).（8）体积弹性大:实际比异步电机尺寸小,可以做成各种形状.（9）过载容量高:负载转矩变动在200%以内输出转速不变.（10）可设计成外转子电机(定子旋转).（11）制动特性良好,可以选用四象限运转.（12）可设计成全密闭型,IP-54,IP-65,防爆型等均可.（13）允许高频度快速激活,电机不发烫.（14）转速弹性大:可以几10转到106转.（15）通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同,易于技术改造.三. 无刷直流电机与其它电动机的比较（一）与传统直流有刷电机的比较 1 .无刷直流电机因为没有碳刷与换向器,所以没有维修与保养的需要;由于采用永磁转子,没有激磁损耗的问题,综合效率高出1020%左右(依据功率大小而定),低速转矩更大,激活转矩可达额定3倍,转速精度可达1/3000,不受电压与负载变动的影响.电机可以做成密闭型或防尘防爆型等结构.因此能够完全取代传统有刷直流电机,而且运转费用更低,没有保养维修的烦恼，无刷直流与有刷直流及欧盟CEMED标准的效率比较请参见图7。.2 . 有刷电机和无刷电机不但内部结构不一样，而且在接线方式上的区别也非常大。 （1）、有刷电机的接线方法。有刷电机一般有正负两根引线。一般红线是电机正极，黑线是电机负极。如果将正负极交换接线，只是会使电机反转，一般不会损坏电机。 （2）、无刷电机相角的判断。无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角的简称，指无刷电机各线圈在一个通电周期里面线圈内部电流方向改变的角度。电动车用无刷电机常见的相位代数角有120与60两种。观察霍耳元件安装空间位置判断无刷电机的相角， 120和60两种相角电机的霍耳元件安装空间位置不一样。测量霍耳真值信号判断无刷电机的相角需要先说明一下的是什么叫无刷电机的磁拉力角。无刷电机的磁钢数量一般是12片、16片或18片,其对应的定子槽数是36槽、48槽或54槽。电机在静止状态时，转子磁钢的磁力线有沿磁阻最小方向行走的特性，因此转子磁钢所停顿的位置恰好为定子槽凸极的位置。磁钢不会停在定子槽心的位置，这样转子与定子的相对位置只有36种、48种或54种这有限的几个位置。因此无刷电机的最小磁拉力角就是360/36、360/48或360/54。无刷电机的霍耳元件有5根引线，分别是霍耳元件的公共电源正极、公共电源负极、A相霍耳输出、B相霍耳输出和C相霍耳输出。我们可以利用无刷控制器（60或120）的5根霍耳引线，将无刷电机霍耳元件引线的正负电源接好，将其余A、B、C三个相位传感器的引线，任意接在控制器霍耳信号引线的引线上。接通控制器电源，由控制器给霍耳元件供电，就可以检测到无刷电机的相角了。方法如下：用万用表的+20V直流电压挡，并将黑表笔接地线，红表笔分别测量三个引线的电压情况，记录下3根引线的高低电压。轻微转动电机，让电机转过一个最小磁拉力角度，再次测量并记录下3根引线的高低电压，如此测量记录6次。我们用1表示高电位，用0表示低电位，那么 如果是60无刷电机，连续转动6个最小磁拉力角度，则测量出的霍耳真值信号应该是：100、110、111、011、001、000。调整三个霍耳元件引线的引脚顺序，让真值的信号严格按照上面的真值顺序变化，这样对于60无刷电机的A、B、C三个相位就判断出来了。如果是120无刷电机，连续转动6个最小磁拉力角度，测量出的霍耳真值信号应该是按照100、110、010、011、001、101的规律变化，这样霍耳元件引线的通电相序就判断出来了。 3、无刷电机的接线方法。无刷电机的线圈引线有3根，霍耳引线有5根，这8根引线必须和控制器相应引线一一对应，否则电机不能正常转动。一般讲来，60和120相角的无刷电机，需要由与之相对应的60和120相角的无刷电机控制器来驱动，两种相角的控制器不能直接互换。60相角的无刷电机与60相角控制器相连的8根线的正确接线有两种，一种正转，一种反转。因为对于120相角的无刷电机，通过调整线圈引线的相序和霍耳引线的相序，电机与控制器相连的8根线的正确接线可以有6种，其中3种接法电机正转，另外3种接法电机反转。如果无刷电机反转，表明无刷控制器与无刷电机的相角是匹配的，我们可以这样来调整电机的转向：将无刷电机与无刷控制器的霍耳引线的A、C交换接线；同时将无刷电机与无刷控制器的主相线A、B交换接线。（二）与异步电动机的比较 虽然当今交流变频调速非常普遍,但是变频调速受限于异步电机的低效率,电机运转在低速时转矩变小,谐波损耗大,速度变动率大,动态性能不佳等缺失;虽然采用速度死循环矢量控制或直接转矩控制变频器时其可以满足性能需要,但是购置费用偏高,而且异步电机的效率,功因,低速发热仍然无法改善.我们在注塑机行业与变频器节能改造作比较,无刷直流电机的综合节电率比交流变频要高出20%以上,注塑机没有降低生产速度(变频器降低约3%),电机温升相差20. 在电动车的负载上应用,功率-速度曲线实际上应该达到三次方关系,但使用变频器驱动异步电机其曲线可能只有平方比例或稍差;采用无刷直流电机驱动其曲线可以接近三次方曲线特性,节电效果更好. 典型高效率异步电机及变频器驱动后的效率曲线图如图8所示 由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。四 .无刷电动自行车的优化设计针对电动自行车的实际使用情况，我们对无刷电动自行车控制器的设计进行了改进，增设了如下的功能：一、使电动车控制器具有输出端短路保护功能本控制器可以实现输出端直接短路保护，即使在电机处于最高转速行动时（此时往往输出最高电压）直接短路控制器输出端，控制器也能很可靠的保护。在保护时电路自动降低了输出电流，以保护蓄电池的安全，此时电流约为0.3A，并随时检测输出端状态，当输出端故障排除后，控制器能自动恢复正常控制，具有自恢复功能，从而控制器具有自保护能力，提高了控制器和蓄电池的安全程度，也提高了对电机本身故障的耐受程度。针对电动自行车使用实际情况，出现堵转是可能出现的工况之一，如控制器能对输出端短路进行可靠保护，那么在电机堵转条件下，控制器同样可以进行保护，并可保护电机及蓄电池的安全。如果只具有限流功能的控制器，此时将输出大电流（如限流14A），这些使蓄电池（容量为12AH）处于大电流放电状态下（14A），将影响蓄电池的使用寿命。另外，大电流流经电机绕组，时间一长，将使电机温升上升，导致绕组绝缘老化，轻则影响电机寿命，重则烧毁电机。二、采用双闭环控制系统控制器采用双闭环控制系统（无刷：转速/电流双闭环，有刷：电压/电流双闭环），由于电流环存在，可以实现对电流的限幅，即可以保护电动车在处于各种正常运行情况下最大电流输出值不会超出设定的电流限幅值，实现自动限流，这样在任何运行情况下，蓄电池均不会出现超过设定值电流的放电过程，保证了蓄电池的安全。另外由于双闭环的配合作用，可以使电机实现最理想的启动过程和加速过程，使蓄电池的电流得到有效的利用，从而可以增加电动自行车的行驶里程。而目前市售控制器由于是单闭环控制系统，并依靠3035（MC33033）芯片的限流作用，所以在启动和加速时经常会出现控制器大电流输出至限流保护的运行状态。三、欠压比较设计成电压滞环自锁比较市面上有的控制器只具有欠压保护功能，即当蓄电池电压低于某一电压值后（如32V）封锁控制器不工作，这容易使用户利用蓄电池的回升电压工作（即蓄电池停止放电后，蓄电池电压会回升23v），从而造成蓄电池过放电。本控制器欠压比较设计成电压滞环自锁比较，这样可以有效地避免了蓄电池回升电压的使用。按上述改进设计的有刷、无刷电动车控制器，经各种负载情况，各种路况实际行驶考验，证明其具有很高的可靠性。在堵转运行和输出端直接短路情况下均可实现可靠的保护，提高了无刷电动自行车控制器在实际运行时的可靠程度，改进后的控制器完全可以实现减少控制器的故障率，降低车辆返修率的目的。另外，由于电流环的作用，并可相对于一般市面上用的控制器可延长续驶距离近10，行驶过程中有频繁加减速、反复上下坡时，电流环作用的效果更加明显。四 使电动车控制器具有输出端短路保护功能 本控制器可以实现输出端直接短路保护，即使在电机处于最高转速运行时（此时往往输出最高电压）直接短路控制器输出端，控制器也能很可靠的保护。在保护时电路自动降低了输出电流，以保护蓄电池的安全，此时电流约为0.3A，并随时检测输出端状态，当输出端故障排除后，控制器能自动恢复正常控制，具有自恢复功能，从而控制器具有自我保护能力，提高了控制器和蓄电池的安全程度，也提高了对电机本身故障的耐受程度。针对电动自行车使用实际情况，出现堵转是可能出现的情况之一，如控制器能对输出端短路进行可靠保护，那么在电机堵转条件下，控制器同样可以进行保护，并可保护电机及蓄电池的安全。如果只具有限流功能的控制器，此时将输出大电流（如限流14A），这些使蓄电池(容量为12AH)处于大电流放电状态下(14A)，将影响蓄电池的使用寿命。另外，大电流流经电机绕组，时间一长，将使电机温度上升，导致绕组绝缘老化，轻则影响电机寿命，重则烧毁电机。 五 采用双闭环控制系统 控制器采用双闭环控制系统（无刷：转速/电流双闭环，有刷：电压/电流双闭环），由于电流环存在，可以实现对电流的限幅，即可以保护电动车在处于各种正常运行情况下最大电流输出值不会超出设定的电流限幅值，实现自动限流，这样在任何运行情况下，蓄电池均不会出现超过设定值电流的放电过程，保证了蓄电池的安全。另外由于双闭环的配合作用，可以使电机实现最理想的启动过程和加速过程，使蓄电池的电流得到有效的利用，从而可以增加电动自行车的行驶里程。而目前市售控制器由于是单闭环控制系统，并依靠MC33035（MC33033）芯片的限流作用，所以在启动和加速时经常会出现控制器大电流输出至限流保护的运行状态。 3 欠压比较设计成电压滞环自锁比较 市面上有的控制器只具有欠电压保护功能，即当蓄电池电压低于某一电压值后（如32V）封锁控制器不工作，这容易使用户利用蓄电池的回升电压工作（即蓄电池停止放电后，蓄电池电压会回升23v），从而造成蓄电池过放电。本控制器欠压比较设计成电压滞环自锁比较，这样可以有效地避免了蓄电池回升电压的使用。 按上述改进设计的有刷,无刷电动车控制器，经各种负载情况，各种路况实际行驶考验，证明其具有很高的可靠性。在堵转运行和输出端直接短路情况下均可实现可靠的保护，提高了无刷电动自行车控制器在实际运行时的可靠程度，改进后的控制器完全可以实现减少故障率，降低车辆返修率的目的。另外，由于电流环的作用，并可相对于一般市面上用的控制器可延长续驶距离近10%，行驶过程中有频繁加减速、反复上下坡时，电流环作用的效果更加明显。 五.各组成部分发展状况 51电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 52电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法；由于数字信号处理器运算快，外围电路少，系统组成简单、可靠，使得直流无刷电动机的组成大为简化，性能大大改进，有利于电机的小型化和智能化，因而数字信号处理器是控制电路发展的方向。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 53转子位置检测电路 永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可靠性。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛