无刷直流电机在电动车辆中的应用

最长可达几千小时而无需维护。电机的使用寿命和原来相比，是大大 延长了，可见新材料电刷是推动有刷电机进步的又一个重要原因。 电机技术的进步还与电力电子器件、微电子和现代控制算法等技术进步发展有 关。无刷电机在设计思想上先进于有刷电机，它是电力电子器件和电机拓朴学进步 的体现。无刷电机使用霍尔元件，代替了电刷和整流子组成的机械换向装置，无电 刷磨损、无电刷电流损耗，具有非常高的功率密度。在电动自行车的应用中，可以 设计成直接驱动形式，从而省去了机械变速装置，因为省去了所有的机械接触部分， 因此噪声小，效率高，使用寿命长，甚至可以说无刷电机的使用寿命可以用轴承的 使用寿命来衡量，轴承寿命多长，无刷电机寿命就多长。在电动自行车的应用中， 据估计有刷电机的使用寿命假如在８万ｋｍ，那么无刷电机的使用寿命就大于２０万 ｋｍ。和有刷电机相比，无刷电机的控制器相对复杂，控制部分它增加了电子换向， 另外由于一般设计成三相，功率驱动部分需要增加功率器件。但是微电子技术和电 力电子器件的飞速发展，微处理器、单片机和数字信号处理器都已逐步进人家用电 器领域，功率开关器件的飞速发展，使控制器的可靠性和经济性都大幅度提高。 ２、电动车辆对电机驱动系统的基本要求 电动车作为绿色交通工具，要求电机高效率，高适应性；由于成本及空间的限 制，电机的高密度小型轻量化和低成本对整车来说至关重要。 高密度小型轻量化：采用良好的冷却方式、高电磁负荷、高性能磁钢、高转速 以及超短端部长度绕组技术等措施，使电机小型轻量化，从而实现高密度。与一般 工业用电动机相比，大小和重量都需要减少到一半以下；汽车驱动电动机输出１ＫＷ 只需０．６ｋｇ重量，这是一般电机不可想象的。 高效率：由于电动车辆是以电池为电源，一次充电的行车距离应尽可能长；汽 车驱动电动机的最高效率可达到９７％，其它汽车辅助电机也希望有高的效率。因此， 随着稀土永磁材料价格的下降，其将替代汽车辅助电机用的铁氧体磁钢；目前，汽 车辅助电机绝大部分是永磁直流电机。 可靠性、耐久性、适应性：由于车辆的振动及发动机室的高温环境，使得车用 电机处于恶劣环境条件下运行，振动大、冲击大、灰尘多、湿度变化大。因此，车 用电机必须适应环境条件的要求，使电机可靠、稳定、安全运行。 低速时的高转矩：由电动机起动车辆，行车中起动发动机要求高转矩。此外， 车用电机的低噪声与低成本技术也至关重要。 如果把电动车比作是人的身体，那么车身部分相当于人的躯干，控制器相当于人 的大脑，电机则相当于人的心脏。电池是能源，相当于五脏六肺，充电器是造血机 构，它的好坏直接影响蓄电池的寿命和性能，也是影响电气安全性的重要因素。随
５．各种电机系统的分析比较 （１）、平稳性 自行车用户要求电动自行车安全舒适，对于电机系统首要是平稳。交流电机本 身的机械特性比较差（偏软），虽然通过控制器，机械特性能较好的调整，但是高 速时调速不十分平稳，特别是重载或爬坡时过载能力不强，这样会影响整车的平稳 性；开关磁阻电机的机械特性也较直流电机偏软，而且由于是脉冲供电，电机气隙 小，因此有显著的径向磁拉力，加上结构上各相参数难免不对称，从而形成振动， 重载时体现成电机抖动严重，因此平稳性也较差；有刷直流电机和元刷直流电机有
反电势的作用下电流续流并逐渐下降，改变开关管的占空比，调节电动机的端电压 平均值，从而可进行调速。再加一些辅助电路即组成一个完整的控制器。 ４．无刷直流电动机及控制器 无刷直流电动机的结构比较简单，与有刷直流电机控制特性相似而结构不同。 其定子是由电枢绕组、位置传感器和机壳构成，而转子主要由永久磁钢组成。 对比有刷直流电动机，无刷直流电机的工作原理与它基本相同，所不同的是电 枢绕组的换相方式不同，为了实现无刷换向，由位置传感器（无位置传感器通过电 机线检测反电势）知道该相绕组的通电时间，定子绕组产生的电枢磁势和转子永久 磁钢产生的励磁磁场在运行的过程中始终保持在订／２的电角度，因而使电机转子旋 转，实现电能对机械能的互换。 广泛应用于电动自行车的为三相无刷直流电机，其驱动控制器也由逻辑换向控 制、功率驱动电路和其它一些外围电路组成，以实现电流传输变换、控制电机运行 调速、提供显示和各种保护功能。主电路一般为三相全控桥，控制方式为ＰＷＭ控 制，可实现从零到最大转速的无级调速。其控制原理如下：
着电动车辆的深入研究、开发、生产和应用，电机驱动控制系统的重要性逐步显露 出来，越来越多的生产厂商和消费者发现电驱动水平的提高标志着电动车辆档次的 提高，电动车的功能、特性以及品牌相当部分也是通过驱动系统体现出来的。 电动车在其正常行驶时是一种随机的变工况工作过程，要求电机的转速和转矩 也实时变化，需要电机的额定工作范围宽。由于城市道路比较拥挤，在行驶时经常 刹车、减速，行驶状态经常改变，因此启动快，运行平稳。这对电机来说，要求加 速性能好，转矩脉动小。由于电动车所带的能源有限，故对电机的效率提出了较高 的要求，另外作为全天候的交通工具，要求电机能耐受较恶劣环境，可靠性高。 二、各种电机驱动系统的分析比较 目前，可用于电动车的电机驱动系统主要有交流异步电机驱动系统、开关磁阻 电机驱动系统、有刷直流电机驱动系统和无刷直流电机驱动系统等，而实际应用中 以后两者居多。每种电机驱动系统有其各自的特点，下面我们对它们的性能进行分 析比较，以便电动车生产厂家在选择电机驱动系统时能根据自己的不同要求选择自 己最合适的形式： １．异步电动机及驱动控制器 异步电机的结构比较简单，它是由静止的定子和旋转的转子两个主要部件组成， 定子和转子之间有一定的气隙。定子主要由定子铁心，定子绕组和机壳构成。机壳 作为结构部件，一般不作为磁路的一部分。转子主要有转子铁心组成。异步电机按 转子绕组形式不同，可分为绕线式和鼠笼式两种。由于鼠笼式异步电动机结构简单， 故一般采用该种形式。 异步电动机的工作原理比较简单，当三相绕组通入三相对称电流后，即产生旋 转磁场，旋转磁场在定、转子之间的气隙里以同步转速１３。旋转。根据电磁感应定 律，鼠笼转子导条受到旋转磁场的磁力线切割，导条会产生感应电动势，因鼠笼转 子导条是闭合回路，则它出现感应电流。根据电磁力定律，载流导条在旋转磁场中 会受到力的作用，转子会随着旋转磁场同方向旋转，电磁转矩克服轴上的负载转矩 作功，以实现电能对机械能的转换。 异步电动机的控制较为复杂，由于它本身的调速特性和起动特性都不理想，为 了得到理想的控制特性，一般采用矢量控制原理，这样对控制器的要求也就较高。 驱动控制器主要由控制部分和功率驱动电路构成，控制部分输入主要是转速指令， 而输出量是控制各功率管开通和关断的ＳＰＷＭ的正弦斩波信号，其功率驱动电路与 直流无刷电机、开关磁阻电机系统基本相同，而不同的是交流异步电机控制方式为 ＳＰＷＭ控制，而直流无刷电机、开关磁阻电机采用ＰＷＭ控制。在控制器的结构上 交流异步电机系统无需转子位置检测。
２．开关磁阻电机及控制器 开关磁阻电机的结构也非常简单，它是由双凸极磁阻电机、位置传感器和控制 调节单元组成，双凸极磁阻电机的定转子均为凸极齿槽结构，定子设有集中绕组， 转子无任何绕组。一般用于电动自行车上的电机大多为三相６／４结构，即定子有６ 个磁极，相对的两个极构成一相，转子有４个磁极，每个定子磁极上设有一个线圈， 位于径向相对的两线圈串接构成一相绕组，可组成Ａ、Ｂ、Ｃ三相绕组。 开关磁阻电动机各相磁路的磁阻随转子的位置变化而变，它的工作原理与反应 式步进电机比较相似，当给Ａ相供电时，转子受磁阻转矩的作用而旋转，磁阻转矩 为零时，再通过传感器、控制器进行电子换向给Ｂ相供电，同时Ａ相断电，转子会 继续转动，使转子磁极轴线与Ｂ相绕组轴线重合，如此再由Ｂ相变为Ｃ相，这样使
着相类似的机械性能，过载能力和调速性能都较前二者好，因此，在电机驱动系统 性能上，它们是属于较平稳的一类ｏ （２）、效率 电动自行车一次携能比较有限，而且能量的可任意添加性不强，所以对电机驱 动系统的效率要求也相当高。从工作原理上看电动机本身的效率，鼠笼式异步电动 机和开关磁阻电机，它们的励磁都是定子绕组侧产生的，无疑会损失相当一部分激 磁的能量，所以效率相对较低，对于带齿轮箱输出低转速的异步电机效率往往只能 做到５０％。６０％，低转速开关磁阻电机效率也只有６０％一７０％。而对于永磁（有刷、 无刷）直流电动机来说，其励磁是由永久磁铁提供，相对的效率就要高的多，但是 对于有刷直流电动机，又因为存在电刷与换向器之间非良性接触而产生压降损失， 而且由于结构的限制，不能直接驱动而需加齿轮减速箱，传递效率下降。而无刷直 流电机不存在机械换向的损失，如果直接驱动，虽然效率受转速比较低而下降，但 没有传递效率的损失，通常也可做到７５％左右。 （３）、噪声 交流电机和有刷直流电机往往都是带齿轮箱工作，自然噪声比较大，特别是时 间工作长后，机械的润滑性能减弱，声音甚至可达７０ｄＢ～８０ｄＢ，而对有带机械换向
空间定子和转子始终产生相互作用的磁场而使转子旋转，输出机械能。由于存在位
置闭环，所以不会象反应式步进电机失步或丢步。 开关磁阻电机的控制与无刷直流电机的控制极为相似，它主要由逻辑换向控制 和功率驱动部分组成，通过检测电动机转子的相位角０进行电子换向，通过控制 ＰＷＭ信号控制调速，再与功率变换电路结合，以实现电流传输变换、控制电机运行 调速、提供显示和各种保护。其输入量主要是转子位置信号、电流电压反馈信号、 运行和转速给定信号，而输出量是控制各功率管开通和关断的逻辑信号，主电路一 般为三相全控桥，其控制原理可参考无刷电机的控制原理ｏ ３．直流电动机及驱动控制器 直流电动机结构比较复杂，可概括分为定子和转子两大部分。定子由主磁极、 机座、换向器、端盖和电刷装置等组成。特别是使用在电动自行车上的小型电机主 磁极一般由永久磁钢组成。机座主要作为各磁极间的磁路和机械支撑。电刷装置一 是使转动的转子绕组能与外电路接通，使电流经电刷输人电枢；二是与换向器配合， 获得直流电。转子是直流电机的重要部件，是机械能和电能转换的装置，它主要包 括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。 对于直流电动机工作原理是当转子线圈中流过直流电流时即产生同方向磁场， 该磁场与永磁场作用产生电磁转矩使转子转动，当转子转动到一定角度时，转子线 圈边之间通过电刷和换向器进行电流互换。这样由于换向器和电刷相互配合作用， 能使线圈不论在何处总能受到同样旋转方向的电磁力，因而电动机连续转动。 由于有刷直流电动机采用机械换向，不需要位置反馈进行电子换向，所以控制 器相对简单，用于电动自行车的直流电机控制器大多采用单极性单开关管驱动，它 只需要一个功率开关管ＶＦ和一个续流二极管ＶＤ。调压控制时，用ＰＷＭ信号控制 ＶＦ，当ＶＦ导通时，电流上升。但ＶＦ截至时电动机与续流二极管ＶＤ组成回路，在
无刷直流电机在电动车辆中的应用
中国电子科技集团公司第二十一研究所 上海安乃达驱动技术有限公司 贡俊杨锟唐名钟 一、概述
１、电机驱动系统技术的进步促进了电动车辆的发展 电机驱动系统是电动车技术的关键，电机驱动系统技术的进步和新材料、计算 机技术和电力电子技术的发展密切相关。在有限能源的条件下，电机驱动系统的效 率直接影响电动车的主要整机指标，它的体积、重量和外观也直接影响整车的造型， 而且电机驱动系统的可靠性也直接影响电动车能否被广大消费者接受。 电机技术的进步主要表现在小型、轻量、高效率上。这对本来意义上就需具轻捷 灵便的电动车来说是个极大的推进。电机的小型轻量高效率和磁性材料的发展息息相 关。磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段，发展最早的是铝镍钴，这 种磁性材料磁能积低，合金中含钴，价格贵，但温度特性好，所以至今某些场合还是 用到它。后来开发出铁氧体磁性材料，这种磁性材料磁能积并不高，但价格低，因此 在很长一段时间内占了主导地位。再后来是钐钻合金的开发成功，这种磁性材料一下 子突破了传统磁能积数值，效能成倍提高，但是合金元素钐是稀土元素，价格昂贵， 合金元素也是比黄金贵几倍的材料，且是战略控制物资，因此大大局限了这种高性能 磁性材料的推广应用范围。一九八三年日本人发明了钕铁硼（ＮｄＦｅＢ），引起了磁性材 料的一场革命。钕铁硼磁性材料磁能积高，不含价格昂贵的合金元素，钐和钕同为稀 士元素，但钕价格便宜得多，因此使电机效率的提高和小型化出现了转机。 由于有了高磁能积的钕铁硼，从而不需要体积硕大的软磁和激励绕线包。电机 的体积重量因此可以大大减小，加工也变得简单。电机的电枢绕组也由于磁性材料 性能的提高而使绕组线圈大大减少。 材料技术进步的另一方面主要表现在有刷电机的电刷质量提高和长寿命。有刷 电机的使用寿命关键点是电刷的寿命，因为影响电刷磨损的一个重要因素是滑动接 触稳定性的好坏。随着电机运转时间的增长，电刷对整流子表面的磨损增大，电刷 形成和修正氧化膜的能力减弱或空气污染造成氧化膜破坏，或因其它原因都会造成 滑动接触变坏而影响使用。长寿命电刷的研制成功和实际应用使得有刷电机的实际