耿紀(jì)輝 ， 高聯(lián)學(xué) ， 陳圣瑋

（濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256600）

0 引言

直流電動(dòng)機(jī)由于企業(yè)采用電刷機(jī)械設(shè)計(jì)方式進(jìn)行換向，不可避免地存在由機(jī)械摩擦問題引起的火花、噪聲、無線電干擾以及壽命短等弊端，使其應(yīng)用研究范圍受到了極大限制。隨著電子傳感器技術(shù)的發(fā)展，電子換向代替機(jī)械換向，利用安裝驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行換向，再加上高性能永磁材料的開發(fā)，采用PWM調(diào)速，使調(diào)速重新獲得了新的活力[1]。本研究中的電機(jī)保留了直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的控制特性，克服了其缺點(diǎn)，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能平穩(wěn)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制容易、運(yùn)行可靠、使用壽命長(zhǎng)、效率高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

它與永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)相比，采用一種“里翻外”結(jié)構(gòu)，即把電樞繞組安裝在定子上，使其電損耗問題產(chǎn)生的熱量更容易不經(jīng)過機(jī)殼向外進(jìn)行發(fā)散，且便于工作溫度檢控；而轉(zhuǎn)子通過采用基于永磁激勵(lì)，無電勵(lì)磁繞組，免去了向轉(zhuǎn)子通電需經(jīng)電刷的方式，所以對(duì)于損耗和發(fā)熱時(shí)間也就影響很小。位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子永磁體的極性并控制定子電樞繞組的帶電，定子電樞繞組是驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的機(jī)械電子結(jié)構(gòu)。

1 BDCM基本設(shè)計(jì)要求

1）體積小，重量輕。由于需要釋放受限空間和減少車輛的整體質(zhì)量，電機(jī)要求高密度，而直流電機(jī)的電樞繞組一般使用的銅較多，這使得直流電機(jī)的微型化更難實(shí)現(xiàn)，但是它可以通過采用良好的冷卻方法來實(shí)現(xiàn)，如低損耗的高性能磁鋼、高磁導(dǎo)率、高速和超短端繞組技術(shù)，使電機(jī)達(dá)到高密度，從而確保小型化和輕量化[2]。

2）高效率，低損耗。電動(dòng)汽車發(fā)展是以電池為電源，一次充電希望續(xù)航里程盡量遠(yuǎn)。此外，還需要通過抑制電機(jī)工作溫度的上升，減小損耗。近年來，隨著對(duì)稀土永磁體（鈷、釹、硼等）的研究，發(fā)現(xiàn)它們具有較高的矯頑力和磁能積，可以明顯減輕電機(jī)的重量。它不僅減小了電機(jī)的體積，而且達(dá)到了高效節(jié)能的目的，是汽車電機(jī)用低磁能體積鐵氧體磁鋼的良好替代品。

3）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。由于車輛的振動(dòng)和機(jī)艙的高溫環(huán)境，以及室外環(huán)境的振動(dòng)和沖擊大、粉塵多、濕度變化大，車用電動(dòng)機(jī)在惡劣的環(huán)境條件下工作，直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)車上使用時(shí)的環(huán)境與在室外使用時(shí)基本相同，有必要解決設(shè)計(jì)中的粉塵和潮氣進(jìn)入電動(dòng)機(jī)問題，以避免位置感應(yīng)靈敏度的降低，影響電動(dòng)機(jī)的換向。為了便于散熱，要多設(shè)計(jì)一些電樞槽，并且還需將檢查窺視窗口系統(tǒng)設(shè)計(jì)得大一些，以便于定期組織檢查和維護(hù)等。

4）防震。由于電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)電樞較大，因此在不平路面行駛的情況下，車輛會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，從而縮短繞組絕緣和軸承壽命，降低軸承的潤(rùn)滑程度，振動(dòng)力會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)絕緣間隙的擴(kuò)大，使外界的灰塵和潮氣更容易進(jìn)入電動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致絕緣電阻降低、漏電流增大等[3]。

5）抗負(fù)荷波動(dòng)。電動(dòng)汽車會(huì)受制動(dòng)、減速、加速等影響，行駛狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化，電動(dòng)汽車不可避免地要在軸承功率最大的情況下工作，從而引起電流、電壓的劇烈波動(dòng)。這就要求具有良好的加速性能、較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和較寬的額定工作范圍。由于永磁無刷直流電機(jī)沒有電刷，所以不會(huì)產(chǎn)生電火花和電刷的磨損加劇，但也需要對(duì)線圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。電動(dòng)車行駛時(shí)，電機(jī)輸出距離相對(duì)較低，在高速旋轉(zhuǎn)和高輸出功率的情況下，一般來說，需要在效率較高的額定條件下運(yùn)行，所以轉(zhuǎn)子直徑應(yīng)設(shè)計(jì)得較小，軸設(shè)計(jì)得較長(zhǎng)，這也很容易適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)。在直流電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的情況下，換向器部分承受的機(jī)械應(yīng)力較大。為了解決這個(gè)問題，在大型電動(dòng)汽車的操縱傳動(dòng)系統(tǒng)中，大多數(shù)都配備了變速器來提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

6）效率優(yōu)化控制。在確保信息系統(tǒng)具有一個(gè)高性能轉(zhuǎn)矩特性的前提下，電機(jī)的勵(lì)磁除了可以受轉(zhuǎn)速控制外，還能與電動(dòng)汽車的運(yùn)行環(huán)境工況聯(lián)系結(jié)合起來，使得在輕載狀態(tài)下，也能降低電機(jī)的勵(lì)磁電流，降低磁鏈損耗，提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)通過電動(dòng)機(jī)工作效率最優(yōu)化。另外，當(dāng)電動(dòng)汽車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)反饋制動(dòng)可以提高車輛的行駛里程。只有當(dāng)回饋制動(dòng)的能量大于勵(lì)磁所需的能量時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，給蓄電池充電。所以可以提高輕載時(shí)的效率，通過降低一定的勵(lì)磁能量，提高汽車制動(dòng)系統(tǒng)能量資源利用率，進(jìn)一步提高車輛的續(xù)駛里程。

2 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真

電動(dòng)汽車技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械產(chǎn)品特性圖如圖1所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)特性可以分成兩個(gè)不同區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)低于基速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出恒轉(zhuǎn)矩；在基速以上為恒功率區(qū)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出恒功率。在恒功率區(qū)，通過弱磁控制電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，也稱弱磁區(qū)。轉(zhuǎn)速控制范圍要覆蓋整個(gè)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，需要有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩密度高，但在恒功率區(qū)難以高速運(yùn)行，限制了其最大轉(zhuǎn)速范圍[4]。從電動(dòng)汽車的行駛工況分析可以看出，驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)不只工作在額定點(diǎn)，因此，要求進(jìn)行電機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性研究區(qū)內(nèi)都要保持高效率，這對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說很困難。

圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一般機(jī)械特性圖

圖2為一臺(tái)具有不同轉(zhuǎn)速比（驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值x，x=2，4，6）的60 kW電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線。可見，該電機(jī)具有大面積的恒功率，其最大轉(zhuǎn)矩可以顯著提高，加速度和爬坡性能可以提高，傳動(dòng)可以簡(jiǎn)化。但是，每種結(jié)構(gòu)型式的電機(jī)都有其固有的最高轉(zhuǎn)速比的限值。而永磁電機(jī)因?yàn)榫哂杏来朋w，磁場(chǎng)難以衰減，所以具有較小的轉(zhuǎn)速比（x<2）[5]。

圖2 具有轉(zhuǎn)速比為2、4、6的60 kW電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線

3 BDCM設(shè)計(jì)

1）電機(jī)本體。定子和轉(zhuǎn)子兩部分，利用定子鐵芯硅鋼片疊加以減少損失，對(duì)硅鋼片表面進(jìn)行一定程度的絕緣處理，以減少渦流損耗，槽的數(shù)量根據(jù)永磁體的極性對(duì)數(shù)和控制電路的相數(shù)來選擇。轉(zhuǎn)子由永磁體、磁鐵和支承部件組成。本研究所述轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電磁鐵通常由電工純鐵或硅鋼制成。

2）轉(zhuǎn)子位置傳感器。轉(zhuǎn)子的位置信息傳感器的作用是測(cè)量某一時(shí)刻定轉(zhuǎn)子磁極的位置，向轉(zhuǎn)子換向器提供一個(gè)更加正確的信號(hào)。定子和轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)子位置傳感器的兩部分。將轉(zhuǎn)子施加在電機(jī)本體的磁極上，以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。位置傳感器的功能是在電子整流電路中精確控制電源開關(guān)裝置的開關(guān)，以檢測(cè)轉(zhuǎn)子極的位置信號(hào)[6]。之后通過轉(zhuǎn)子位置的變化去控制電樞繞組里面的電流按照一定的順序去控制轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)子的位置傳感器具有多種多樣形式，有光電式的傳感器、接近開關(guān)式的傳感器技術(shù)以及編碼式的傳感器等等，一般都是采用輸出功率大且性能比較穩(wěn)定的磁敏式的位置傳感器。

3）轉(zhuǎn)子換向電路。無刷直流電機(jī)的電子換向電路由電源開關(guān)裝置和邏輯控制電路兩部分組成。功率開關(guān)裝置控制電動(dòng)機(jī)定子繞組的開通順序和開通時(shí)間，將直流電源中的電能以一定的方式分配給多個(gè)不同的定子繞組，使電動(dòng)機(jī)始終產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，然后通過控制器與轉(zhuǎn)子位置傳感器的相互配合，實(shí)現(xiàn)電子換向與機(jī)械換向相似。

4 結(jié)語(yǔ)

直流無刷電動(dòng)機(jī)具有節(jié)能、環(huán)境友善、舒適、耐用、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。直流無刷電動(dòng)機(jī)作為一種新型電機(jī)，可采用圓柱徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)或圓盤軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，具有響應(yīng)快、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可滿足電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的要求。