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1传统低速有刷电机不可克服的缺点

时间:2017/8/21 9:31:00   来源:本网   添加人:admin

  技市与等特点,该产品克服了传统低速有刷电机所固有的两大缺点,采取了多项措施来提高效率和改善换向条件,最大的特点是采用了双转子,在电机外壳飞转的同时,内转子反转电动自行车新一代双转子减速有刷轮毂电机,是针对近5年来广泛流行的低速有刷电机的固有缺点而设计开发的更新换代产品,属于第三代技术的小型轻量、高效节能的电动车驱动电机。该种电机的电枢和磁场相对于心轴而言,均处在旋转中,成为高、低速两个转子而没有定子。两个转子之间用行星减速器相联系且一并输出动力。该种电机构思巧妙,结构新颖紧凑,效率高、体积小、重量轻,特性好,十分适合于各种电动自行车后驱或前驱安装,尤其适用于轻量、高档的车型。

  1传统低速有刷电机不可克服的缺点传统的电动自行车低速有刷电机近5年来在行业中的普及,在发展电动车产业方面功不可没,并且形成了很大的生产规模,曾一度占到各种型式电动车电机总产量的一半以上。但是该种电机也存在不可克服的两大缺点:低速电机的体积、重量大,材料消耗多,尤其是铜线消耗量大。1只电机总重量在67kg,铜线消耗量就达1.51.6kg.在目前原材料涨价,尤其是2006年以来铜价疯涨的环境下,生产成本过高。

  仅漆包铜线一项材料的费用就超过100元。而电机的销售价在众多厂家的恶性竞争下难以相应提高,已经濒于临界亏损或进入实质性亏损,直接威胁企业生存。近几个月来,低速电机产销量急速下降,原来生产此种电机的厂家,包括生产配套件39槽换向器和卷绕铁心的厂家纷纷减产、转产或停产。此种电机已经接近产品生命周期的终点。

  低速电机在小电流、低扭矩的工作段虽然效率较高,但在中等扭矩以上、额定功率附近效率显著下降,尤其是在启动和爬坡大电流、大扭矩工况下的效率大幅度降低。电机的特性软,转速下滑快,爬坡无力。这是因为该种电机的电枢绕组直流电阻大。按照电机的不同转速,电阻在0.61.2Q水平,配合2224英寸大直径轮胎的低转速电机电枢电阻往往大于1Q.在36V电源电压和1214A负载电流行丰时,仅仅降落在电枢电阻上的电压就达到电源电压的35%50%.电机的效率只有50%左右。由于电阻大,控制器续流增流效果差,电机过载能力很差,没有爆发力。

  铜线消耗量大和电枢电阻大的原因在于:铁心的磁通交变频率低。因为是低速电机,极数也只有10极,在转速为220360r/min时,铁心磁通交变频率只有1830Hz.铁心的低频率反映了铁心运用的低效状态,而且必将造成绕组运用的低效状态。即使把铁心磁通密度提高到1.8T,每匝线圈的感应电压也不到0.1V,电枢每个支路的匝数需要很多,否则就不能维持在设计所规定的转速。

  以10极39槽的有刷低速电机为例,线圈的跨距为4槽,绕组端部的跨距大,端部导线长,直接导致每匝导线的长度加大,导线消耗量增大。如果减少导线跨距并同时增加极数,使每极所对应的槽数减少,将会使换向条件显著恶化:换向火花加大,效率降低,碳刷磨损增加。对于短时运转的电机例如轿车摇窗机电机或对效率、寿命要求不高的电机是可行的,对于电动车电机是不可行的。

  电机采用了外电枢内磁场结构,在电枢外径为154腿时,空气隙直径只有112腿。不仅电机内上两大缺点。电机的重量减小到3.和重量减少到低速电机的一半。铁芯和磁钢的重量减少到1/3,铜线消耗量减少到1/5.原材料消耗和材料成本大幅度节省。与此同时,电机的储备功率增大,效率提高,性能大大改善。

  双转子减速有刷电机采用了外磁场、内电枢布局和旋转碳刷结构。由于外磁场(低速转子)的经向厚度只有外电枢式结构经向厚度的约1/3,所以在小巧的电机外壳内,内电枢(中速转子)的直径达到了96mm.电机的内部空间利用率高,电磁功率大。内电枢的绕组平均直径显著小于电枢直径,为减小导线每匝长度、节省铜线创造了良好的先决条件。旋转碳刷结构使采用外磁场、内电枢布局成为可能,也使电枢和磁场同时、相向旋转成为可能。

  常规柱形电机在材料的电磁负荷相同的条件下,电机的计算功率正比于电枢气隙直径的平方、铁芯叠厚、电枢线负载和电机转速四者的乘积。无刷或有刷直流电机之间的差别不大。以转速为240r/min的低速有刷电机、低速斜槽无刷电机、低速直槽无刷爬坡王电机、半轴无刷减速电机,以及双转子减速有刷电机来比较(见表1)。

  简单比较就可以看出,双转子减速有刷电机在电表1几种电机的比较种类电枢气隙直径/mm叠厚/mm线负载/V减速比功率比例系数低速常规有刷电机低速斜槽无刷电机低速直槽爬坡王电机半轴无刷减速电机双转子减速有刷电机部空间利用率低,而且使绕组的平均直径和线圈跨度的几何尺寸比内电枢、外磁场方式加大,又促使铜线电阻和重量增加。

  2双转子减速有刷电机的特点对于双转子有刷减速电机来说,有效地克服了以枢直径减小到96mm、铁芯叠厚减小到25.0mm的条件下,由于具有4.895的等效减速比,计算功率的比例系数比传统有刷、无刷电机增大30%50%.而且由于充分利用了电机尺寸和内部空间,与市场上的一种半轴无刷减速电机相比较,在外形尺寸稍有减小的同时,电枢直径从56ram增加到96mm,增大达40命技IE与H友d% mm,计算功率增大达62%.其计算功率与市场上流行的低速无刷爬坡王电机处于同等水平,并略有超过。

  该电机在功率容量和功率储备方面的优势明显可见。

  考虑到双转子减速电机散热表面积相对较小,换向器尺寸和碳刷截面也是按照长期载流量为8A设计的,电机的额定功率按照不同转速仍然标定在180240W,但是这些因素主要和电机的发热、温升以及长期允许负载有关,和电机的电磁功率、效率、扭矩等力能指标并没有直接联系。因此对于常规有刷电机来说是重载的工作点,对于双转子减速电机说来只是轻载或中载。电机可达到的短时最大功率不取决于散热,而取决于最大电磁功率。短时最大功率与额定功率的差值就是储备功率。因此,双转子减速电机具有很大的电磁储备功率,储备功率在需要时是可以短时间地动用的。电机的外特性很硬,从空载到额定负载的转速降低小于10%,即使转矩过载达100%200%,转速的下降也只有15%22%,而且仍然能保持较高的75%80%的效率。双转子减速电机在电动车起步和爬坡时的性能,和给乘骑者的感觉将较以往的传统电机明显提高。

  从双转子减速电机的外观电阻数值来看,更能说明同一问题。外观电阻就是电机绕组从碳刷接触位置的换向片所计算或测量到的电阻值(不包括碳刷及其接触电阻)。对于无刷电机来说就是线间直流电阻。

  常规低速有刷电机在额定电压36V时,其外观电阻按照不同转速,约在0.61.2Q.在扭矩过载100%时,消耗于绕组电阻的压降就达918V,可达电源电压的25%50%,因此转速和效率大幅度降低,电动车爬坡显得慢而费力。双转子减速电机由于转子工作于中速状态,电枢尺寸减小而每匝电压成倍提高,绕组的匝数少而且每匝的长度短。所以绕组在铜线消耗量大幅度减少的同时(减少到有刷低速电机的20%左右),电机的外观电阻大大减小,按照不同转速,减小到0.180.36仅相当于同转速常规低速电机的30%,并且小于无刷低速爬坡王电机的外观电阻(同一转速条件下减小20%)。在扭矩过载100%时,绕组电压降也只有2. 55.0V,比常规低速电机额定功率时的压降还小。即使扭矩过载达200%,工作电流接近额定电流的3倍,绕组电压降也只有3.87.6V.因此仍然可以达到75%左右的效率和转速。如果配套控制器的续流增流性能良好,电动车启动和爬坡时就能以相对较小的电源电流消耗获得很大的低速扭矩。起步时有冲力感,爬坡时显得轻松有力且速度下降不多,而且明显省电。

  电机绕组的电阻小、电感小,因此过载能力强、有冲劲,是电动车各种高速或中速、减速电机的共同特点和生命之所在,只是互相之间的程度有差别而已。

  3双转子减速电机提高品质、改善性能的措施电机设计时已经采取了多项措施来提高效率和改善换向条件。最具有特点的就是由于采用了双转子,在电机外壳正转的同时,内转子(电枢)是在反转。

  当轮焚的转速为240r/min时,电机的特征转速(设计转速)为1 175r/min,这是指电枢相对于磁场的转速。实际上,电机的外壳以240r/min的转速正转的同时,内转子在以935r/min的转速反转。由于电机以外壳输出动力,此时内、外转子之间的电磁力并不受到任何影响,外壳输出扭矩中的21%是电磁力的直接作用,另外79%的扭矩才是通过减速器传递的。这一扭矩的分配比例在任何情况下都保持恒定。因此,减速器的负担减轻了21%,可以减小减速器的设计负载和尺寸,或者因此而减轻了齿轮的磨损,延长了齿轮寿命。因为减速器的效率只有97%左右,减速器传递功率的减小同时也减小了损耗。这种布局比采用常规行星齿轮减速器的电机,可以提高整机效率0.为了减小铁损,设计采用了较少的极数:6极。

  使铁芯的交变频率不至于太高。与8极和10极的布局相比,可以减少铁损35%50%.此外设计中还降低了铁芯的磁通密度,铁芯齿部和轭部的磁密均较常规推荐值降低了15%.使在铁芯磁通交变频率比低速b兔饫行丰电机提高的同时,单位重量铁心的铁损上升较少。因此使双转子减速电机在铁芯采用中等损耗的DW470-50冷轧片时,空载电流为0.45050A,采用低损耗的DW310-50冷轧片时,空载电流可以小到0. 350.40A,与常规低速电机处于同等水平。极数的减少还可以加宽磁极之间的中性带,改善电机的换向条件,使碳刷的换向火花减小,并使碳刷位置的形位公差和调整误差的敏感性减小。在额定功率范围内基本上实现了无火花换向,减少了换向损耗,延长了碳刷和换向器的寿命,提高了电机运行的稳定性。

  由于采用了双转子布局,电路中必须增设接触滑环和一对滑环碳刷。但是由于滑环只是滑动接触,没有换向过程和火花,可以采用电阻系数很低的高铜石墨碳刷,接触压降很小,只在0.25V以下,所引起的附加损耗不大于0.6%,由于直径小,滑动线速度很低,碳刷磨损和机械损耗极小,可以忽略不计。

  对于封闭式有刷电机而言,除非电机是短时间、偶尔运行的工况,碳刷的维护更换和碳刷磨损产生的粉尘是不可回避的问题。双转子减速电机也不例外。

  这一问题可以从两个方面解决:其是在电机的设计布局已经创造了良好换向条件的前提下,在碳刷电阻率、接触压降和电机效率可以容忍的范围内,选取耐磨损、长寿命的碳刷。现在已经有号称碳刷寿命达到6000h的例子。即使碳刷寿命为3 000h,每天行―副碳刷也能维持6年以上,应当说已经可以使人满意。另一方面,有刷电机毕竟不是免维护的机械,每隔12年打开电机进行碳粉吹扫,检查碳刷、换向器和轴承的状态,并在需要时进行轴承、碳刷的更换和新碳刷的磨合,也是一个合理的维护要求。对于电动自行车电机而言,碳刷寿命的最低要求,似应定在1 500h或2万kra.合理的设计选型和常规的运用,碳刷应当有23年以上的实际使用寿命。

  随着电动车轮毂电机行星齿轮减速器材质和寿命问题的妥善解决,(过去几年来,不同厂家小高速电机的减速齿轮发生过多次大面积的问题,曾一度使用户对减速齿轮的可靠性信任度降低)双转子减速电机的行星减速器减速齿轮寿命已可做到10万km的高值,已经不再是小高速电机可靠性的瓶颈问题。

  双转子减速电机自设计研发和小批量试产1年多来,经过大量、广泛的各种内部试验研究和多项改进,电动S行车双转子减速有刷轮毂电机已经臻于完善,并已开始大量投放市场。经过某知名品牌整车厂家的2万km正规道路试验,得到了令人满意的结果:碳刷的磨损量为2万km4.8mm,碳刷寿命应为4万5万km;换向器磨损不大于0.05mm;经过2万km试验后的特种材料自润滑行星齿轮的磨损量难以测量,因为被拆检的齿轮仍然符合新齿轮的公差标准。推算换向器和齿轮的寿命应能达到10万km.在众多早期用户的回访中,一致的评价是:这电机个子小,但是有劲,还省电。在江苏茅山风景区,某整车厂进行的山区道路爬坡和行程对比试验中,车型、电池、载重等条件完全相同的前提下,装有双转子减速电机的参赛车完美胜出,拔得头筹。

  鉴于双转子减速有刷电机明显的优点,有关方面专家认为:对于电动自行车有刷电机来说,双转子有刷减速轮毂电机是一种有着长久生命力的,甚至在某种程度上带有终极意义的优良产品,对于柱形电机领域来说更是如此。双转子减速电机将会在不长的时间内得到市场的广泛认可和选择,并在有刷电机领域内逐步取代传统的低速电机。双转子减速电机既是有刷电机,就仍然保持着有刷电机‘软换向“特质所带来的运转平稳、无抖动的优点,杜绝了无刷电机’‘硬换向”所造成的特有抖动和噪音。仍然保持着控制器配套成本低、全车故障率低和维修容易的优点。对于传统上青睐有刷电机的整车厂、经销商和用户更是适合。双转子减速电机还将可能逐步蚕食其他类型的有刷和无刷电机的市场份额,在未来几年的内外销市场上,双转子有刷减速电机的市场覆盖率将会逐步提高,并以其良好的性价比和强大竞争力成为行业中和市场上不可小觑的生力军。