一文看懂電機原理、分類到應用

電動車電機根據其使用環境與使用頻率的不同，形式也不同。不同形式的電機其特點也不一樣。電動車電機普遍採用永磁直流電機。所謂永磁電機，是指電機線圈採用永磁體激磁，不採用線圈激磁的方式。這樣就省去了激磁線圈工作時消耗的電能，提高了電機機電轉換效率，這對使用車載有限能源的電動車來講，可以降低行駛電流，延長續行裡程。電動車電機按照電機的通電形式來分，可分為有刷電機和無刷電機兩大類;按照電機總成的機械結構來分，一般分為「有齒」(電機轉速高，需要經過齒輪減速)和「無齒」(電機扭矩輸出不經過任何減速)兩大類。電動機是一種旋轉式電動機器，它將電能轉變為機械能，它主要包括一個用以產生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/385337.htm

組成結構

1.永磁式直流電機：

由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成。

定子磁極採用永磁體(永久磁鋼)，有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。

轉子一般採用矽鋼片疊壓而成，漆包線繞在轉子鐵心的兩槽之間(三槽即有三個繞組)，其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。

電刷是連接電源與轉子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。

2.無刷直流電機：

由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。無刷直流電機的特點是無刷，採用半導體開關器件(如霍爾元件)來實現電子換向的，即用電子開關器件代替傳統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點。

位置傳感器按轉子位置的變化，沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，並在確定的位置處產生位置傳感信號，經信號轉換電路處理後去控制功率開關電路，按一定的邏輯關係進行繞組電流切換)。

3.高速永磁無刷電機：

由定子鐵心、磁鋼轉子、太陽輪、減速離合器、輪轂外殼等組成。

電機蓋子上面可以裝上霍爾傳感器，用以測速。

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

採用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極體、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。電動汽車多用的是霍爾元件。

採用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光板，光源為發光二極體或小燈泡。轉子旋轉時，由於遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈衝信號。

採用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等)，當永磁體轉子位置發生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調製信號(其幅值隨轉子位置而變化)。

定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。

設備分類

用於電動汽車的驅動電機與常規的工業電機不同。電動汽車的驅動電機通常要求頻繁的啟動/停車、加速/減速，低速或爬坡時要求高轉矩，高速行駛時要求低轉矩，並要求變速範圍大。而工業電機通常優化在額定的工作點。因此，電動汽車驅動電機比較獨特，應單獨歸為一類。

對無刷電機而言，根據電機是否具有位置傳感器，又分為有位置傳感器無刷電機和無位置傳感器無刷電機。對於無位置傳感器的無刷電機，必須要先將車用腳蹬起來，等電機具有一定的旋轉速度以後，控制器才能識別到無刷電機的相位，然後控制器才能對電機供電。由於無位置傳感器無刷電機不能實現零速度啟動，所以在2000年以後生產的電動車上用得較少。電動車行業內使用的無刷電機，普遍採用有位置傳感器無刷電機。旋轉180°，線圈不動，霍耳元件感應到S極磁場，此時P1與R2截止，P2與R1導通，可以看到電流i』從電池正極經過R1、線圈、P2流到電池負極。通電線圈中的A點的電流i』方向是指向接線頭的方向(矢量方向與i』矢量方向相反)，磁鋼受到線圈的反作用力，一樣產生向逆時針方向的旋轉力矩。電動車用無刷電機的磁鋼數量比較多，線圈一般有3組，每組線圈都有相應的霍耳元件(3相線圈有3個霍耳元件)，這樣電機旋轉時就更平穩，效率更高。當磁鋼旋轉時，霍耳元件感應到磁場方向變化後給出相應控制信號，無刷控制器根據此信號控制著上3路與下3路功率管的導通與截止。

有刷電機、無刷電機的比較

有刷電機與無刷電機的通電原理上的區別：有刷電機是由碳刷與換向器進行機械換向，無刷電機是靠霍耳元件感應信號由控制器完成電子換向。有刷電機和無刷電機的通電原理不一樣，其內部結構也不一樣。對輪轂式電機而言，電機力矩的輸出方式(是否經過齒輪減速機構減速)不一樣，其機械結構也不一樣。

1、常見高速有刷電機的內部機械結構。這種輪轂式電機由內置高速有刷電機心、減速齒輪組、超越離合器、輪轂端蓋等部件組成。高速有刷有齒輪轂式電機屬於內轉子電機。

2、常見低速有刷電機的內部機械結構。這種輪轂式電機由碳刷、換相器、電機轉子、電機定子、電機軸、電機端蓋、軸承等部件組成。低速有刷無齒輪轂式電機屬於外轉子電機。

3、常見高速無刷電機的內部機械結構。這種輪轂式電機由內置高速無刷電機心、行星摩擦滾子、超載離合器、輸出法蘭、端蓋、輪轂外殼等部件組成。高速無刷有齒輪轂電機屬於內轉子電機。

4、常見低速無刷電機的內部機械結構。這種輪轂式電機由電機轉子、電機定子、電機軸、電機端蓋、軸承等部件組成。低速無刷無齒輪轂式電機屬於外轉子電機。

主要特性

無刷直流電動機之所以被廣泛應用於電動車，是因為它與傳統的有刷直流電動機相比具有以下二方面的優勢。

(1)壽命長、免維護、可靠性高。在有刷直流電動機中，由於電機轉速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術難度較大，特別是傳動齒輪的潤滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機就存在噪聲大、效率低、易產生故障等問題。因此無刷直流電動機的優勢很明顯。

(2)效率高、節能。一般而言，因無刷直流電動機沒有機械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調速電路損耗，效率通常可高於85%，但考慮到實際設計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設計為76%。而有刷直流電動機的效率由於齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。

工作原理

電動機(Motors)是把電能轉換成機械能的一種設備。它是利用通電線圈(也就是定子繞組)產生旋轉磁場並作用於轉子鼠籠式式閉合鋁框形成磁電動力旋轉扭矩。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是異步電機(電機定子磁場轉速與轉子旋轉轉速不保持同步速)。電動機主要由定子與轉子組成，通電導線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線(磁場方向)方向有關。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。

基本介紹

電動機是一種旋轉式電動機器，它將電能轉變為機械能，它主要包括一個用以產生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子。在定子繞組旋轉磁場的作用下，其在電樞鼠籠式鋁框中有電流通過並受磁場的作用而使其轉動。這些機器中有些類型可作電動機用，也可作發電機用。它是將電能轉變為機械能的一種機器。通常電動機的作功部分作旋轉運動，這種電動機稱為轉子電動機;也有作直線運動的，稱為直線電動機。

基本結構

一、三相異步電動機的結構，由定子、轉子和其它附件組成。

(一)定子(靜止部分)

1、定子鐵心

作用：電機磁路的一部分，並在其上放置定子繞組。

構造：定子鐵心一般由0.35～0.5毫米厚表面具有絕緣層的矽鋼片衝制、疊壓而成，在鐵心的內圓衝有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。

定子鐵心槽型有以下幾種：

半閉口型槽：電動機的效率和功率因數較高，但繞組嵌線和絕緣都較困難。一般用於小型低壓電機中。

半開口型槽：可嵌放成型繞組，一般用於大型、中型低壓電機。所謂成型繞組即繞組可事先經過絕緣處理後再放入槽內。

開口型槽：用以嵌放成型繞組，絕緣方法方便，主要用在高壓電機中。

2、定子繞組

作用：是電動機的電路部分，通入三相交流電，產生旋轉磁場。

構造：由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結構完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規律分別嵌放在定子各槽內。

定子繞組的主要絕緣項目有以下三種：(保證繞組的各導電部分與鐵心間的可靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣)。

(1)對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。

(2)相間絕緣：各相定子繞組間的絕緣。

(3)匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。

電動機接線盒內的接線：

電動機接線盒內都有一塊接線板，三相繞組的六個線頭排成上下兩排，並規定上排三個接線樁自左至右排列的編號為1(U1)、2(V1)、3(W1)，下排三個接線樁自左至右排列的編號為6(W2)、4(U2)、5(V2)，.將三相繞組接成星形接法或三角形接法。凡製造和維修時均應按這個序號排列。