新能源電動汽車驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)及工作原理-魔扣目錄

一、直流電機的結(jié)構(gòu)

電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐。

無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器組成。

如圖所示，無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)圖。

無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)圖

1-電機定子 2-電機轉(zhuǎn)子 3-位置傳感器 4-軸承

主轉(zhuǎn)子是電機本體的轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生勵磁磁場的部件，它由三部分組成：永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件。

?永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場的核心，由永磁材料和導(dǎo)磁材料組成。無刷直流電機常采用的永磁材料有下列幾種：鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼及高磁能積的稀土鈷永磁材料等。

?導(dǎo)磁材料一般用硅鋼、電工純鐵或1J50坡莫合金等。如圖(a)和(b)所示。第一種結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子鐵心外表面粘貼瓦片形磁鋼，稱為凸極式；第二種結(jié)構(gòu)是磁鋼插入轉(zhuǎn)子鐵心的溝槽中，稱為內(nèi)嵌式或隱極式。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1-永磁體2-轉(zhuǎn)子鐵芯3-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸

定子是電機本體的靜止部分，由導(dǎo)磁的定子鐵心、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵心和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機殼、絕緣片、槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。

定子是無刷直流電動機的電樞。

某電機拆解后定子鐵芯如圖所示。

某電機拆解后定子鐵芯

定子鐵心一般由硅鋼片疊成，取用硅鋼片的目的是為了減少主定子的鐵耗。

硅鋼片沖成帶有齒槽的環(huán)形沖片，在槽內(nèi)嵌放電樞繞組，槽數(shù)視繞組的相數(shù)和極對數(shù)而定。

為減少鐵心的渦流損耗，沖片表面涂絕緣漆或磷化處理。

為了減少噪聲和寄生轉(zhuǎn)矩，定子鐵心采用斜槽。

在疊裝后的鐵心槽內(nèi)放置槽絕緣和電樞線圈，然后整形、浸漆，最后把主定子鐵心壓人機殼內(nèi)。

有時為了增加絕緣和機械強度，還需要采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封。

定子鐵中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或封閉形（角形），各相繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)晶體管相連接。

電子開關(guān)線路有橋式和非橋式兩種。

如圖所示：表示常用的幾種電樞繞組連接方式，其中圖(a)、(b)是非橋式開關(guān)電路，其它是橋式開關(guān)電路。

電樞繞組連接方式

無刷直流電機一般采用霍爾元件作為位置傳感器，由于無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子是永磁的，就可以很方便地利用霍爾元件的“霍爾效應(yīng)”檢測轉(zhuǎn)子的位置。

四相霍爾無刷直流電動機原理圖

如圖所示：兩個霍爾元件H1和H以間隔90°電角度粘于電機定子繞組A和B的軸線上，并通上控制電流，電機轉(zhuǎn)子磁鋼兼作位置傳感器的轉(zhuǎn)子。

當(dāng)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁鋼N極和S極輪流通過霍爾元件H1和H，因而產(chǎn)生對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置的兩個正的和兩個負(fù)的霍爾電勢，經(jīng)放大后去控制功率晶體管導(dǎo)通，使四個定子繞組輪流切換電流。

霍爾無刷直流電動機結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但安置和定位不便，元件片薄易碎，對環(huán)境及工作溫度有定要求，耐震差。

二、直流電機的工作原理

無刷直流電機的工作原理：如圖所示，直流電源給開關(guān)線路（驅(qū)動器）供電，驅(qū)動器根據(jù)位置傳感器反饋的轉(zhuǎn)子極性和轉(zhuǎn)速信號，控制驅(qū)動器內(nèi)的晶體管開關(guān)，給電機定子三相繞組提供方波電源，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。

無刷直流電機的工作原理框圖

無刷直流電機定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，如圖所示為定子繞組聯(lián)結(jié)方式，后面將以常用的三相星形聯(lián)結(jié)作為模型，說明其工作原理。

定子繞組聯(lián)結(jié)方式

如圖所示顯示了定子繞組聯(lián)結(jié)方式，三個極繞組通過中心的連接點以”Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。

整個電機就引出三根線通電時，有6種情況，分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB的順序。

第一階段：AB相通

第二階段：AC相通電

第三階段：BC相通電

其中第二、三階段原理與第一階段相同，可以類推，轉(zhuǎn)子永磁體的狀態(tài)如圖所示：

轉(zhuǎn)子永磁體狀態(tài)圖

每個過程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°，6個過程即完成了完整轉(zhuǎn)動，其中6次換相。

對于多級的無刷直流電機工作原理與上述單級原理類似，相當(dāng)于每轉(zhuǎn)換相次數(shù)增加，通電頻率提高。

三、無刷直流電機的特點

無刷直流電機的特點

?具有傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)點，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)；

?體積小、重量輕、出力大，適合中小功率電機；

?控制較為簡單，無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力較強；

?效率較高，可靠性較高，維修與保養(yǎng)簡單，成本較低低；

?有一定噪音和振動。

1. 交流感應(yīng)異步電機的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機主要有由定子和轉(zhuǎn)子，軸承組成。

一般交流感應(yīng)電機外形如圖1所示，圖2為交流感應(yīng)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 交流感應(yīng)電機外形圖

圖2 交流感應(yīng)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

?定子主要由鐵心，三相繞組，機座，端蓋組成。

?定子鐵心一般由0.3~0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。

?三相繞組由三個在空間互隔120°電角度、對稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。其作用是通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

?機座作用是固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護、散熱等作用。

?端蓋主要起固定轉(zhuǎn)子，支撐和防護作用。

?轉(zhuǎn)子主要由鐵心和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心所用材料與定子一樣，由0.3~0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。

定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著定子繞組，即三相交流繞組，接入三相交流電源就可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，圖1 為電機定子結(jié)構(gòu)圖，圖2 為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖，圖3 顯示了轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯有硅鋼片疊成。

圖1 定子結(jié)構(gòu)圖

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖3 轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯有硅鋼片疊成

轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。

圖所示是鼠籠型異步電動機轉(zhuǎn)子（銅條）鼠籠型異步電動機轉(zhuǎn)子（鑄鋁）。

鼠籠型異步電動機轉(zhuǎn)子（銅條）鼠籠型異步電動機轉(zhuǎn)子（鑄鋁）

?鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個繞組的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對于100KW以上的電動機采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。鼠籠轉(zhuǎn)子分為：阻抗型轉(zhuǎn)子、單鼠籠型轉(zhuǎn)子、雙鼠籠型轉(zhuǎn)子、深槽式轉(zhuǎn)子幾種，起動轉(zhuǎn)矩等特性各有不同。

繞線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。

繞組式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖所示：