电动自行车传动系统中的电机技术的应用研究

张 峰

西宁生产力促进中心

电动自行车传动系统中的电机技术的应用研究

张 峰

西宁生产力促进中心

本文主要介绍可电动自行车的控制系统及传动系统中的电机技术的应用。控制系统中电机主要用于控制器，可对电动机动机在运行中，因某种故障或误操作而导致的可能引起的损伤等故障出现时，电路根据反馈信号采取的制动断电、欠压保护、过流保护、过载保护、欠速保护、限速保护等的保护措施及测速和调速功能；传动系统中电机主要用于驱动装置，传动系统中常用的驱动方式有直流驱动系统和感应电动机驱动系统。

无刷电机；制动断电；电机保护系统

一、电动自行车的发展的趋势

轻量化的发展趋势。一方面，消费者特别是城市消费者偏好正在向更轻巧、更便捷、更安全、更舒适方面转变，另一方面，随着政府管理力度的加大，电动摩托车的管理模式将逐渐明确，可能只有符合国家标准的电动自行车才能继续享受非机动车的待遇，这在客观上要求电动自行车向轻量化的方向发展(轻量化我认为无论如何讲都应该是电动自行车未来发展的首要趋势或者是主流趋势)。

锂电池等新能源的应用将不断拓展提速。今年，锂电池电动自行车又得到了进一步的发展。好孩子、力霸皇、耀马、捷安特、永久、富士达等一大批企业推出了锂电车，作为中高端产品投放市场。从目前锂电车在北京、上海、南京、济南、郑州等一大批大中城市的销售情况来看，应该讲形势还是良好的，发展锂电车已经成为多数企业的共识。

产品技术创新将加速发展。新产品提升企业已成为趋势，时尚的产品，多功能的产品，将占领销售市场。最重要的是，新产品将在技术创新方面日益成熟，包括永磁高速无刷电机、微电脑控制技术、轻合金材料技术、自动焊接技术等一批先进技术将在电动自行车中得到更加广泛的应用。电动自行车生产过程和产品本身，也将更加节能、高效、低碳排放和可循环，节能、环保、高效将是电动自行车技术创新的核心，将成为激发更大市场需求的内在动力。

二、电动自行车常用电动机及要求

电动车用电机一般是直流电机，用有、无永久磁铁分类，有永磁电机和串激电机两类。电机旋转部分叫转子，不转动叫定子。永磁电机的转子或定子有一个是永久磁铁，另一个则是漆包线绕的线包；串激电机的转子和定子都是漆包线绕制的线包。同样功率的电机，永磁电机比串激电机省电。

目前电动车电机普遍采用永磁直流电机。所谓永磁电机，是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电机机电转换效率，这对使用车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。电动车电机按照电机的通电形式来分，可分为有刷电机和无刷电机两大类；按照电机总成的机械结构来分，一般分为“有齿”(电机转速高，需要经过齿轮减速)和“无齿”(电机扭矩输出不经过任何减速)两大类。

三、无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较

磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。与他励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型。由于永磁无刷直流电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，永磁直流电机的力能指针(ηcosθ)比同容量三相异步电动机高12%-20%。

图1 永磁无刷直流电机

永磁有刷直流电机的工作原理有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。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，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。

由换当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外接通向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

四、电动车调速器

直流无刷电机本质上是调节直流电压来实现转速调节。但是大多数情况是，出厂的时候厂家一般也会固化这类控制器在电机上，对外只留有控制端接口。控制器开发人员不需要了解其内部升降压的机制，只需要对电机控制输入端输入控制信号即可轻松实现电机调速。

调速器是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100%变化、从而改变负载、灯光亮度/电机速度。利用脉宽调制(PWM)方式、实现调光/调速、它的优点是电源的能量功率、能得到充分利用、电路的效率高。例如：当输出为50%的方波时，脉宽调制(PWM)电路输出能量功率也为50%，即几乎所有的能量都转换给负载。此外HW-A-1020型调速因其采用开关方式热耗几乎不存在、HW-A-1020型调速在低速时扭矩非常大、因为调速器带有自动跟踪PWM、另外采用脉宽调制(PWM)方式、可以使负载在工作时得到几乎满电源电压、这样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩率。

全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种既代替人力又低排放和有效利用资源的交通工具，电动车在能源、环境发面有其独特的优越性和竞争力。在电动车的电机保护设计中为了节约时间，我们应充分考虑电机性能的要求，避免在设计完成以后再去进行补救措施。因此，设计时从改良换向问题，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能等方面采取各种措施来提高系统性能。保护电机的启动和运行，在进行抗干扰改良以免在调速的过程中出现堵转过载短路等现象，所以进行各种调速系统的比较选择一种优良的调速系统，从电动车的核心元件进行分析我们知道电动车的控制器是电动车中的核心关键，因此，我们特别注意了控制器空的元器件，防止控制器出现问题是电动车的保护系统的能力下降只要认真分析系统所处环境，采取合适的改良方法就能保证系统长期稳定可靠地运行。