电动自行车的电系统讲义.doc

第一章 电动自行车的电系统电动自行车是在自行车的基础上发展而来的，它保留了自行车原有的人力驱动系统，增加了由电池供电、直流电机驱动的电系统。电动自行车的电系统可用下面的框图表示： 图 1-1 电动车电系统框图通常把电机、控制器、电池和充电器称为电动自行车的四大件。以下对电系统中的各个部分做一概要的介绍。一、 调速转把调速转把实际上是个可调节的电压输出器，它由控制器供电，再输出一个电压给控制器作为控制电机转速的信号。手把在初始位置时，有一个最低输出电压(约1V)，控制器禁止输出。随转动角度的增加，输出电压也增加，到了某一值后(1.5V左右)，控制器就指挥电机启动和调速了。能做可调电压输出器的器件或装置很多，比如可变电阻等。但可变电阻是接触式的，有磨损快或耗能大的缺点；而其它装置或是过于复杂，或不易做成转把式结构。因此用的最多的是线性霍耳集成电路，它是利用霍耳效应做成的器件。霍耳效应可用图1-2来说明：一块长方形半导体材料，沿长度L方向流过电流IH，垂直放入磁场B中，运动的电荷受到磁力作用，会在材料的两侧边堆积，形成电压E，叫霍耳电压。电流IH越大，或是磁感应强度越大，霍耳电压E越大。实际上，E只有微伏或毫伏级，要放大以后才能使用。将半导体材料与放大器集成在一起，就构成了霍耳集成器件，简称霍耳。 图1-2 霍耳效应原理图图1-3是它的外型和内部电路框图。GNDU0Ucc图1-3霍耳集成元件外观和内部电路框图3转动调速转把的过程，就是将磁钢移向霍耳的过程，其内部半导体材料上产生的霍耳电压经放大器放大后输出为U0。磁钢靠霍耳越近，霍耳电压越高，放大器输出电压也越大（线性放大器），直至达到饱和状态（U0不再增加）。调速转把的内部结构如图1-3。顺便指出，磁钢移向霍耳的时候，磁极极性要符合规定，否则元件不能工作。图中，1为小磁柱，2为霍耳器件，3为手柄芯，4为手柄转套。 图1-4调速转把 U0的最大值与磁柱的磁感应强度和供电电压有关。常用调速转把在5伏供电时, U0的范围在1.1 -4.2伏之间。设计控制器时，此电压范围十分重要，因为控制器只利用其中的一部分，例如1.5-3.6V，并在设计时就已确定了。这样，无论是更换转把或控制器，都可能造成不匹配。常见现象是，转把转过较大角度电机才启动，或是转把在后段无效调节的范围过大。出现此类现象时要告之控制器厂或调速转把厂解决。二、刹（闸）把刹把的作用相当于一个开关，可用机械开关，也可用电子开关。一般的，不捏合刹把时，开关是断开状态；反之，开关闭合。电子开关使用一种开关型霍耳元件，其内部放大器是比较放大器而不是线性放大器，输出只有两种状态，或是0状态，或高电平状态。即：捏合刹把，开关连通；反之，输出端呈高电阻状态，相当于开关断开。控制器根据开关状态决定是否禁止电机的输出。三、控制器控制器最主要的功能是，接收调速转把的输出电压，对电机进行无级调速。除此之外，控制器的基本功能还包括欠压保护和限流保护。由于电机种类不同，控制器可分为有刷控制器和无刷控制器两大类。几年前，控制器的控制电路多用硬件电路做成，而现在，单片机（又称MCU）则获得了更广泛的运用。这是因为：1、可以根据需要对单片机编程，经济、方便地实现多种功能或调整参数；2、有利于防止产品被抄袭；3、单片机的性价比很适当。在单片机使用的基础上，如今的控制器增加了许多功能，比如，电机堵转保护，功能自检，能耗制动刹车、提供车速显示输出，等等。控制器功率电路中的功率管主要用在大电流的开关状态，是控制器中负担最重，损坏率最高的器件，价格占总成本比率也很高。现在使用的功率管是一种电压控制型器件，叫金属氧化物场效应管，简称MOS管。它的工作频率高，驱动能耗低，导通后管压降很小，能并联使用，是20年前左右由国外公司研发出来的，我们现在也只能进口。如果没有这种器件，我们今天的控制器体积将增大不少，可靠性会下降很多，甚至做不出满足需要的控制器。除选用质量高的管子外，根据工作电压和电机功率选用适当规格的管子也十分重要，必要时，可以并联使用，以增大输出电流。有刷控制器只有一路功率开关，一个功率管，而无刷控制器有三路开关，每一路都有两个开关管。它比有刷控制器多了位置传感器的译码和换向功能，也多了两路驱动电路和升压电路。所以无刷控制器线路复杂，元器件多，价格一般为同功率等级有刷控制器的三倍左右。控制器应具有较好的结构设计，能防水、散热快，以及便于安装和拆卸等。选用控制器一般要注意以下几点： n 应将使用电机的参数、整车重量、仪表盘、喇叭的类型和参数、电池电压等具体情况明确提供给生产控制器的厂商，必要时还要提供电机和仪表盘样品，这其中都存在与控制器匹配的问题。n 选用信誉好、技术能力强、服务好、有一定规模和历史、大用户长期使用的控制器生产商。n 选用前经过样品测试和载重路试。控制器的质量取决于以下几个因素：n 优良的设计。包括了软件设计、硬件设计、工艺设计及材料规格的选用等几个方面。好的设计应能避免功能单元间的内部干扰，排除错误动作的发生，并使元器件长期稳定工作在预计的最恶劣的条件下，一旦发生意外，能自行保护其它器件，防止连锁损坏。n 物料的质量控制。必须选用合格的物料供应商，保证所用的物料满足规定要求。为此，还必须实行必要的来料检验。n 生产过程的质量控制。生产过程控制包括人、物、料、法、环的控制以及必要的在线和出厂检验。五、电机 电动车行业使用的电机主要是直流永磁式电机，它用永久磁钢产生磁场，用直流电给电机线圈供电，磁钢对带电线圈产生旋转推力，并借助电流换向器（机械式或电子式的），适时改变线圈中电流的方向，保持磁力对载流线圈的推力最大、转动方向不变，电机就持续运转下去了。电动机能够吸收电能，将其转化为机械能，同时也能将机械能转化为电能。事实上，这种“电”生“动”与“动”生“电”的过程是同时存在的。要观察“动”生“电”现象，只须切断电源，让电机旋转，就能在电源开关前端测量出原来没有的电压值，电机转的越快，电压就越大，而且方向与电池电压方向相反。这个时候，电动机就变成了发电机。后面会介绍，“动”生“电”现象在电机中起着重要的作用。按电动自行车通用技术条件GB17761-1999规定，电动车电机的持续输出功率不得超过240W，大致其输入功率在350W左右。下面的章节将会对电机做进一步介绍。六、电池电动车用电池是可反复充电使用的电池，其种类很多。比较常见的是铅酸电池、锂电池、镍镉电池、镍氢电池等等，这都是按其电解质的性质分类来命名的，如果按其它性质分类，又可有别的名称，比如高温电池、高能电池等等。电池是将化学能转化为电能的装置，为了了解其性能，必须了解它的几个重要参数。1电池容量C 电池完全充电后，在一定条件下，以一定电流放电到规定端电压时，电流与所用时间的乘积称为电池的容量，即：C=It 。其中放电电流I单位为安培，t单位为小时，所以C的单位是安培小时（Ah），为一电量的单位。C与放电电流大小有关，一般地，I越大C越小。以1A的电流放电20h, 放电到终止电压，则这个电池的容量为20Ah。以20h 为放电时间，称为20时率放电，这时的电池容量用C20表示；如果以2时率放电，所得电池容量记为C2, C2远小于C20。2理论容量 是根据活性物质的质量，按法拉第定律计算得到的容量数值。3容贮容量 又叫保证容量，是在设计和生产电池时，按国家有关标准，保证在一定放电条件下，应该放出的最低限度容量。4实际容量 因温度、放电电流、使用条件、电池自身状况不同，同一电池的放电量也不同。在具体条件下测出的放电量称为实际容量。5充电终止电压、放电终止电压 指充电或放电到不宜再充或再放电时的电压值。如果继续充电或放电，将引起电池损坏。不同种类的电池，充电或放电的终止电压是不同的。按JB/T10262电动助力车用密封铅酸蓄电池 规定，单块铅酸电池以2小时时率的放电终止电压为9.6V。 6比容量单位质量或单位体积的电池体所能贮存或放出的容量，以Ah/kg或Ah/L表示。此值越大越好。7比能量单位质量或单位体积的电池体所能贮存或放出的能量。以Wh/kg或Wh/L为单位，比能量值也是越越好。8比功率表示电池在单位时间内所能给出的能量。两块电压一样的电池如果比功率不一样大，则表明在同样的时间内，比能量大的电池与比能量小的电池相比，前者可以比后者提供出更多的电量，即能提供更大的电流。对电动车用电池的需求包括：、可靠的性能：有足够的容量，能支持电动车一次充电的路程（国家规定不小于25公里），能大电流短时间放电。、足够的安全性：如没有空气和液体溢出，不会造成对车、人和环境的损害。、能快速充电，在短时间内补足能量。、比能量高，具有体积小重量轻的优点。、寿命长，能反复循环充电数百次。、价格低。综合多项指标考虑酸酸电池仍是目前的首选电池，95%的整车厂选用它。其优点是：工艺成熟、材料易，价格便宜，能满足大多数情况下的使用要求。缺点是重量重，比能量小，循环寿命短。影响铅酸电池实际容量的几个因素： 放电电流的大小放电电流大时，电池内部的电阻增加，电化学反应不充分，电池容量减少很多。也就是说，开快车不如开慢车续行行程更长些。 温度影响高温（40以上）或低温（10以下）条件下，电池的特性都会受影响。温度高易使电池内部化学成份变质，温度低则造成化学反应变慢而内阻增加，二者都会造成电池容量下降。低温在-10时，电池的容量可能比25降低30%，而在2040时，电池容量最大。 放电方式连续放电比间歇放电的实际容量小。由此可知，骑车时经常关电滑行比一直高速骑行的里程更长。六、充电器充电器是给蓄电池补充电能的装置。工作时，将220V交流电转变为与电池组电压相适应的直流电压，再对电池充电。其功能包括整流滤波、电压变换（降低）、充电方式控制等几大块。对充电器的要求包括以下几点：1） 与所用电池特性有良好的配合。不同种类电池的特性不同；即使同为酸酸电池，也因极板配方和电解液浓度的不同而有特性上的差异。如果充电器与电池不能很好配合，则会导致充不足或 过充电现象。影响电池寿命。2）充电时间短、效率高，一般应短于7小时。3）自身具有多项安全保护措施，为防止极性错误、防高温、耐振动阻燃。如果是铅酸电池充电器，还应当有温度补偿特性保证冬天充得足，夏天不过充。七、仪表盘仪表盘的作用是显示行车中的某些参数或状态。比如车速、电动或助力状态、累计行程数、限流状态及欠压状态，等等，依整车厂的需要而定。但因所显示的内容和显示的方式多需要控制器输出信号配合，所以如果更换控制器或仪表盘，应使二者的制造厂充分沟通。这是整车厂必须注意的。八、喇叭、灯光显示电动车用的喇叭以压电陶瓷喇叭为多，但近年来许多人开始使用电喇叭，以求省去压电喇叭的振荡电路并提高声音响度。但电喇叭工作依据的是电铃原理，它本身自带一个电感量较大的线圈，通电后反复开断，这将产生很大的感生电压，干扰控制器的工作。这件事应当告之控制器厂，采取必要措施抑制干扰的影响。电动车上的灯具有照明灯、转向灯和刹车灯几种。这几种灯具的供电和开关控制常常与控制器有关，比如从控制器引线，或是共用刹车开关，等等。在多数情况下，都会影响控制器的工作，有时甚至造成故障，因此，整车厂需要提前与控制器厂进行沟通，让其有所应对。九、助力传感器助力传感器有时也称为1：1助力器，或速度传感器。它包括一个塑料圆盘，上面等距离嵌入极性排列一致的几个小磁柱（因此安装时要区分圆盘正反面），以及一个内装开关霍耳的塑料支架。圆盘安装在电动车中轴上，霍耳支架固定在中轴附近，霍耳的引线与控制器相连。脚踩链轮前进时，圆盘随中轴转动，磁柱经过霍耳时，使之输出相应的脉冲信号，中轴转动快与慢，脉冲频率随之变化。控制器则依据脉冲频率的高低输出一个直流电压，控制车速的快慢。第二章 电机的工作原理在介绍电机原理之前，先复习以下关于电磁学的有关基础知识。一、磁的基本知识1磁体与磁极自然界存在一类物质，它们具有磁性，即能够吸引铁一类的物质。具有磁性的物质叫磁体。现在常见的磁体都是人造的，比如小磁针、条形磁钢、马蹄型磁钢等等。每块磁体都有两个端点，这两处的磁性最强，因此称之为磁极。磁极只有两种，无论将磁体怎样分割，它都保持两个磁极。像两种电荷间的相互作用性质一样，同种磁极是相排斥的，异种磁极是相吸引的。人们还发现，大地本身也是个大磁铁，称为地磁。它的两个磁极分别在地球的南北两极附近，指南针的发明，正是利用了这个发现。用细线系在小磁针中部然后悬挂起来，静止以后，小磁针指向南北方向。规定小磁针指向地磁北方的磁极为北极（N极），指向南方的是南极（S极）。根据相斥、相吸原理，可知地磁的北极在地理上的南极处，地磁南极在地理上的北极处。磁体能够吸引铁，是因为铁本身能够被磁化，即它一靠近磁体，自身也变成了一块磁铁的原因。2磁场和磁力线磁体周围存在的特殊物质，或磁力作用的空间，称为磁场。磁体对其他物质的作用，就是通过磁场实现的。为了形象认识磁场，人们借助了磁力线。在磁场中放上小铁屑，微加振动，则小铁屑就会首尾相接，构成一定形状的曲线，称为磁场的磁力线。借助磁力线，就能了解磁场的分布情况和各点的磁场方向和磁力的大小。磁棒和马蹄形磁铁周围的磁力线如下图2-1。 图2-1 磁棒和马蹄形磁铁周围的磁力线磁力线具有以下性质：（1） 磁力线在磁铁的外部由N极指向S极，在内部由S极指向N极，组成闭合曲线，磁力线永不相交。 （1） 磁力线密集的地方，磁场强度大，反之，磁场强度小。（2） 磁力线上任一点试验小磁针N极的指向，规定为该点磁场的方向，与该点磁力线的切线方向重合。如下图图 2-2 试验小磁针确定磁场方向 3 导体周围的磁场 科学家发现，不但磁体周围有磁场，电流也能产生磁场，这揭示了电与磁的本质联系。 （1） 载流直导线周围的磁场实验表明，载流直导体周围的磁场方向满足右手定则，即：让拇指方向与电流方向相同，将导线握于掌心中，则四指的方向就是磁场的方向。在平面上看，直导线周围的磁场是一系列垂直于直导线的同心圆。如下图图2-3 直导线的磁场及右手定则（2） 螺旋管的磁场载流螺旋管的磁场与其电流流过的方向有关。实验表明，一有电流流过，螺旋管周围的磁场与一根圆磁棒的磁场相似。手握螺旋管，四指方向与电流方向一致，拇指与螺旋管中心轴的方向一致，则拇指的方向就是N极方向。如下图 图2-4 载流螺旋管的磁场4 磁感应强度为了进一步描述磁场中各点的磁力的强弱， 引入磁感应强度这样一个物理量，用B表示。磁场中某点磁感应强度B的方向即是上面介绍的、该点试验小磁针N极的指向，而其大小则这样规定：在该点处取一小块面积S，使其垂直于穿过它的磁力线，则穿过S的磁力线的根数与S的面积之比，就是该点磁感应强度的大小。5 匀强磁场如果磁场中各点磁感应强度的大小和方向处处相等，这种磁场称为匀强磁场。缠绕密集的螺旋管内部以及两个大的平行磁极之间的磁场可认为是匀强磁场。匀强磁场中的磁力线为疏密相等的平行线。 如图2-5。图2-5 匀强磁场 6电磁力定律载流导体在磁场中会受到力的作用，电磁力定律就是描述这一现象的。电磁力定律的内容是：长为L，流过电流I的导体，放在匀强磁场B中，方向与B垂直，其受力的大小为F=BIL 。F的方向由左手定则决定，即：伸出左手，使拇指与其余四指垂直，让磁力垂直穿过掌心，四指的方向与电流方向相同，则拇指的方向就是导体受力的方向。见图2-6图 2-6 左手定则 7电磁感应定律导体在垂直切割磁力线运动时，其中会产生感应电动势E，其大小为E=vBL式中 v-导体的运动速度B-磁感强度L-导体的有效长度其方向由右手定则决定。即，平伸出右手，使拇指与其余四指垂直，让掌心正对磁力线，拇指指向运动方向，则四指的方向即是感应电动势的方向。电机中，线圈绕组在相对磁钢旋转时也切割磁力线，所以它其中将产生感应电动势，称为反电动势，其方向与所加电源电压的方向相反，从而抵消原来线圈中电流产生的运动趋势。见图 2-7 图 2-7 右手定则 二、有刷电机和无刷电机工作原理1有刷电机的模型及工作原理 有刷模型电机结构及各组件名称如图2-8。图中换向片是固定在绕组线圈上的，随之一齐转动。 2-8有刷模型电机结构及及组件名称图 有刷模型电机工作过程见图2-9。2-9 有刷模型电机工作状态图图2-10线框平面与磁力线成a角时的转距图2-9 (a) 中，电流经电刷A、金属换向片，从线圈a端流入，由d流出。按电磁力定律，ab段受力向左，cd段受力向右，而bc与ad段不受力。于是对线圈产生一旋转推力，转动力矩的大小为T=2rF，或T=2rBIL, 方向为逆时针。当线圈平面与磁力线成a角度时，力臂变短， T=2rBILcosa（图2-10），线框转至90时，力矩为0。 由于惯性，线框继续旋转，这时换向片与碳刷的接触位置发生改变，于是线圈中的电流反向，即由d流入，由a流出。用左手定则 ，可知线圈框仍有逆时针旋转的声势。于是电机就不断旋转了。 这个电机动的缺点是，转动力矩小，力矩波动大，需要加以改进。比如，单匝线圈改多匝，一路线圈改为多路线圈，另外，还有磁路结构的设计优化，等等。由此发展出各种类型、各种样式的电机。 2无刷电机的原理直流无刷电机的原理框图及模型图如下。图 2-11 直流无刷电机的原理框图及模型图电机包括定子（上有W1、W2、W3三个独立的绕组，空间上各相差120）以及永磁转子。与转子同轴相连有位置检测器PS（实际为一缺口120的遮光板）。被PS遮住光照的光敏元件输出为0电压，相连的三极管不通；反之，相连三极管导通。现以图3-11（b）说明无刷电机的工作原理。在图示位置，光敏元件P1在圆盘缺口处，故受光源照射（图中未画出）输出电压使三极管V1导通，绕组W1通电，其极掌处为S极，吸引转子N极，使转子逆时针转动。与此同时，同轴的遮光板PS也旋转。当逆时针转过图示位置60度以后，P1被遮挡，V1被关断，W1断电，但P3处在缺口处有信号，V2导通，W2通电，又吸引N极旋转。如此不断切换，电机将连续转动。如要电机反转，则可改变位置传感器控制绕组的顺序来实现，如在图中，V3由P1控制，V2由P2控制，V1由P3控制，则电机将顺时针旋转。三、无刷电机的控制中的若干名词介绍 1无刷电机的半控电路在上述控制方式下，转子每转过120，就有一次绕组间的换流，在一个周期内有三种状态，称为3相3状态。因每一个状态下只有一个绕组、一个三极管工作，故称其主控制电路的形式为半桥式，或半控式。其功率电路图形如图2-12。 2-12 三相半控电路 2 三相无刷电机的桥式控制图 2-13 三相桥式全控电路在半桥式控制方式的一个周期内，每相线圈只工作三分之一的时间，线圈利用率低，力矩波动大。电动车用无刷电机的实用功率电路是桥式控制，又称三相全控电路，如图2-13。并且，电机的三相线圈做成星形联接。这种控制电路的工作特点是线圈两两通电。一个电周期内有6种工作状态，每一时刻只有两只功率管导通，每隔60换相一次，每次换相只改变一只管子的通断，每只功率管工作120，每相绕组通电240，其中正向和反向通电各120。经过6种状态后再重复。功率管的 导通顺序是：V1+V2，V2+V3，V3+V4，V4+V5，V5+V6，V6+V1，形成一个电周期，接着继续循环。需要说明的是，依转子起始位置不同，起始的状态不一定是V1+V2，而是上述6状态中的任何一种，但状态变化的顺序是固定的。这种状态两两导通控制方式的优点，一是增加了转动的力矩，二是减少了转矩的波动幅度，三是提高了线圈的利用率。该图中看出，当有两只管子开通时，比如V1+V2，则电流由A线圈流入，由线圈C流出。即在一个工作状态中，有两组线圈通电，这两组线圈产生的合成磁场，由于空间相对位置的安排，它们大于单个线圈导电磁场，因此线圈利用率提高，力矩最大值增加。同时，因一个电周期内换相次数相对三相半桥电路增加，力矩的波动也因此减少了。桥式控制的方式还有其它的种类，比如六状态三三通电式。即一个电周期以内有六个状态，每一状态下三只管子导电。这种控制方式下，线圈利用率更高，但最大转矩并不比两两导电方式的大。相比起来，还是两两导通方式用的最多。3机械角和电相位角（电角度）当电机只有一对磁极时，机械角与电相位角是一致的，如其磁极对数增加至2对，则转子每转一圈，每一线圈就要经历两对磁极，相应经历两个电周期的变化，即电相位角度变化了720。多极电机电相位角与机械角的关系为：电相位角=机械角*电机极对数 。4位置传感器、位置编码和译码器图 3-11中所述的遮光板PS随转子连动，转子在不同位置，有的光敏元件被光源照亮，有电压输出；有的则被遮挡，无电压输出。遮光板PS与光敏元件称为位置传感器。将光敏元件有输出的状态记为1，无输出的状态记为0，则同一时刻，每一个光敏元件都有一个状态值，排列起来，会得到一组编码，称为转子的位置编码，一组位置编码表示电机转子在某个位置区间，同时也表示一个控制状态。比如，转子反时针旋转一周，其位置编码有三组： P1 P2 P30 0 0 - 控制状态1，V1导通， W1导电0 0 1 - 控制状态2 V3导通，W2导电 0 1 0 - 控制状态3 V2导通，W3导电 现在的位置传感器普遍采用开关式霍耳器件，它的体积小，灵敏度高，能直接利用转子的磁力工作，简化了电机结构。一般地，无刷电机中一相线圈装一个霍耳，故三相电机就有三个霍耳。它们的安装位置是这样设计的：将一对磁极下线圈要经过的空间等分为六个区域，转子和定子的相对位置不论处于哪一个区域，都能用三个霍耳的输出状态，组合成位置编码加以区别。下面是120相位角电机转子位置变化的六个编码： Sa Sb Sc 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 有了位置编码，就可指挥相应功率管按照正确顺序通断工作了，完成这项工作的器件叫译码器。桥式控制电路一定要用译码器。译码器通常由专用集成电路承担，或由单片机完成。它是这样一种器件，其输入是一组编码，按某指定规则，输出一组对应编码；输入变化，输出相应变化。译码规则是可以改变的，举例说，一只正转的电机，如果改变了译码器的输出规则，就可以使电机反转。顺便介绍，由于无刷电机各相绕组中的反电动势的变化情况与转子的位置相关，可以利用这一关系，测量各相线圈的反电动势的数值进行编码，从而让电机省去了霍耳元件之类的位置传感器。这种电机就是无霍耳的无刷电机，能对这种电机进行控制的是无霍耳电机控制器。现在南京中天公司已开发出了此种控制器，并已销售了一年多，获得了市场的广泛好评。5 无刷电机的相位角 因霍耳元件感受磁力线面的摆放方向不同，即编码方法不同，则转子在同一位置，位置编码却不同，由此分出不同相位角的电机。A、B、C三相霍耳输出信号的相位依次超前120电相位角的电机叫120相位角电机。如A、B、C三相霍耳输出信号的相位依次超前60，此种电机称为60相位角电机。两种电机的绕组结构和磁路设计都一样，性能无优劣之分，差别只在于：初次配接控制器时，在所有36种可能的接法中，60相位角电机只有一种是正确的使电机正转的接法，而120相位角电机有3种正确的接法。前者给技术人员包括维修人员带来了较多的工作量。第三章 电动自行车用电机电动车用电动机目前全为直流小功率电动机，功率不大于350W。为了减小体积和提高效率，不用励磁线圈而用永久磁钢，故称为永磁直流电动机（以下简称为电机）。一、电动机的类型电动自行车用电机可按以下几种方法分类：n 按有无机械式电流换向器分类：有刷电机、无刷电机；n 按是否需要加装内置减速齿轮分类：有齿电机、无齿电机。或高速电机、低速电机；n 按外形分类：柱式、盘式和轮毂电机。轮毂电机的传动比为1：1，即电机转一圈，车轮也转一圈。它的安装不占空间，车体结构制造简单。我国电动车用电机绝大部分都是轮毂式的。从实际情况看，电动车行业主要流行以下几种电动机：1 盘式高速有刷电机（内置齿轮减速器）这种电机的电枢线圈绕组有印制绕组和线绕式绕组之分，其设计技术和制造设备多为国外引进，产品质量有相当的保证，这种电机的线圈绕组电阻很小，不用铁芯，故重量也轻，加速大、爬坡能力强。但它也有一些明显的缺点，比如：n .转子转速在每秒几千转，换向电刷磨损快，寿命短；n .结构复杂，对维修人员技术能力要求高；n .使用一段时间后，因齿轮磨损，产生出较大的振动与噪声；n .工艺复杂，成本高，售价贵；到目前为止，除有少部分厂家还在使用盘式高速有刷直流电机外，其余的厂家已经停止使用了。2 低速有刷电机低速有刷直流电机在2001-2005年之中被广大电动车厂家广泛使用，是当时市场上的主角。它的特点是，省去了齿轮减速器，最高速不超过每分钟350转。因此起动和运行平稳，几乎没有振动和噪音，电刷寿命也大大延长。其缺点是：n .铜材和铁芯使用量大，重量大，材料成本占售价的比例提高较多，制造商利润下降；n .内阻大，机械特性软，转速及随负载的增加下降很快，启动加速度和爬坡能力下降,骑行者感受没力气。3 低速无刷电机低速无刷电机几乎是与低速有刷电机同时问世的, 但当时结构为斜糟式，磁极对数少，用铜量大，内阻大，动力特性未显示优势出来。而且，无刷控制器本身较复杂、成本高，当时技术上不成熟，故障率高，价格贵，故此很快被多数厂家放弃。新型低速无刷电机的兴起是2004年发生的事。它采用直槽布线、多极磁钢。因此内阻小，效率高，高效率平台的区间宽，起动和爬坡时有力。与此同时，配套的无刷控制器也渐趋成熟，表现在：采用了更为可靠、能防止上下管对穿的驱动电路；采用了单片机作为主控元件，可以有针对性地编写出具有自我保护和多功能的程序，使无刷控制器的可靠性大为增加。与有刷电机相比，无刷电机有以下优点：n 使用同等材料的前提下，体积小、重量轻、效率高、启动力矩大。n 采用电子式电流换向方式，克服了电刷换向的器件磨损快、有噪声和电火花干扰（高速时明显）的问题，电机寿命延长。n 电机结构和制造工艺简单化，成本下降。无刷电机电控系统受到广大用户追捧，现在已成为市场主流，进一步的发展仍将集中于完善控制器的功能和提高可靠性方面。二、 对电动车电机的要求对电机的要求可以归纳为以下几点：n 特性硬，车速不随负载的增加迅速下降，有较大的启动和爬破力矩。n 效率曲线平坦。效率决定了电能转换为机械能的比例，转换的比例越高，越省电。另外，电动车的负载状况是变化的，所以，不能光看最高效率点的大小，还要看高效率点构成区间的宽窄。n 经济性。经济性是一个综合指标，而不是单纯电机的单价，比如说，一种电机用了比较差的材料，单价可能明显较低，但其质量问题很多，返修率高，维修周期短，客户投诉多。这样的电机给整车厂会带来大量非正常的维修费和商誉损失，因此它就不是经济的，相反是昂贵的。n 寿命。产品寿命是投入使用到失去基本功能时经历的时间。影响电机寿命的因素有：轴承磨损、电枢绕组绝缘性下降、磁钢退磁、磁钢脱落、换向霍耳损坏等等。其中磁钢退磁与长时间大电流工作和高温有关，不同等级的磁钢抗退磁性能有明显差别，价格也差别较大，选购电机时应当要了解清楚。n 重量。重量大的电机需要消耗更多电力。故在相同特性的情况下，应选择较轻的电机。n 运行平稳，即转矩波动小。电机转子是电枢绕组中流过的电流受到磁钢磁场作用力而推动的。电机中电流在换向时大小会变化，转子在不同位置时受到的磁场作用力大小也变化，因此所有电机在运行时都是有转矩波动的，只是不同电机的大小不同，严重时，就能听到噪音，或是车有抖动。这种情况在某些使用直槽低速无刷电机的车子启动或爬坡时比较显著。改善的方法是要在电机和控制器上同时做文章。三、电机的基本参数1 额定电压电机的额定电压就是它的正常工作电压，即配套电池组的端电压。电池组一般由几块12V10Ah的铅酸蓄电池串联组成，因此电机的额定电压最常见的就是24V、36V、48V。额定电压的高低对电机的外形尺寸和耗材多少有影响。同样的输出功率，若额定电压值高，则电机中电流就小。较小的电流可降低铜损耗，发热就减轻，而且绕组中电流换相时的电流变化率也小，功率器件的负担较轻；工作电流小就可以使用较细的导线，减小铜材缩小电机体积，还可以增加电池放电时间，延长续行里程。这些都是额定电压高的优点。缺点是：所用的电池组重量增加，绝缘铜线的绝缘等级和控制器中功率器件的耐压等级提高，这些都增加了成本。2 额定功率电机的功率主要含两个概念，一是输入功率，即电机（含控制器）从电源吸收的功率。其值为工作电压（U）与工作电流（I）的乘积。以公式表示为：Pin =IU。输入功率越大表示电机越耗电。另一个是电机的输出功率Pout，Pout=Pin*。是电机效率，是个小于1的数，说明输出功率总是小于输入功率。这是因为电机内存在各种损耗，它们都要吸收能量。电机内损耗包括铜损、电损、风损、摩擦损耗等。 电机的额定功率指电机在额定条件下连续稳速工作时的输出功率。额定条件，指在额定电压下，一定负载时的条件。这时电机的输出功率，就是额定功率。对电动自行车而言，按电动自行车通用技术条件规定，额定的工作条件是指：车重公斤，骑行者公斤，在无风或微风的平坦公路上, 以最高时速20Km/h行驶。一般情况下,这时的电机输出功率应在120W左右。电动车行业一般不讲电机的额定功率, 而讲额定工作条件下的输入功率。所谓180W、240W、350W电机，均是额定功率对应的输入功率值，这一点应当了解。电动车用电机功率有越用越大的趋势，这与用户追求加速快、动力大有关。3 额定转矩额定工作条件下的电机输出转矩，一般情况下在4.6-6.2Nm之间。输出转矩除以车轮半径，就可算出主动轮对地面的推力，数值上等于地面对车的推力。但因路况、载重、风速等因素的变化，设计电机时应将额定力矩加大一些，比如可增加20%-35%，这样骑行的动力效果会更好。即额定转矩设计在5.5-8.4Nm之间。4 额定效率就是额定输出力矩出处（又称额定工作点）的效率，此值当然越大越好。不过，电机常常变负载工作，比如载重有变化，或由平路转爬坡，所以，不能光看一个工作点的效率，而要看整个效率曲线的形状。下节将有进一步的讨论。四、 电机的性能图 电机的性能图是以输出力矩作为横坐标，分别描述电机效率、输出功率、电机电流、电机转速随输出力矩变化趋势的图形。除去电机效率与输出力矩的关系难于用数学式表达外，其余的都能用公式表达。为清楚认识电机性能图，现介绍一些公式并推导电机各重要参数之间的关系。它们普遍适用于有刷和无刷电机。1电机的输出功率PoutPout=*Tm 或 Pout =（2/60）*n* Tm （1）式中 -电机角速度，单位：弧度/秒（r/s） Tm-电磁转矩，单位：牛.米（N.m） n-电机转速，单位：转/分钟2 电磁转矩与电流的关系电磁转矩（N .m）Te = Km*I （2）式中 I-电枢电流（A）Km-转矩常数（N.m/A）。只与电机的结构和磁钢特性有关，电机一做好，此系数就固定了。3 电磁力距Te、输出力矩Tm和摩擦力矩T0三者间的关系Te =Tm+ T0 (3)式中，To为电机的静态摩擦力矩，是不变的。当输出力矩为零时，空载电流产生的电磁力矩正好用以抵消静态摩擦力矩To 。 4 反电动势与转速的关系反电动势（V） E=Ke *n （4）式中 Ke-反电动势系数（V.min/r）n-转速 (r/min.)5. 电压平衡方程在电枢各相绕组对称的情况下，可得电机的电压平衡公式U=U +Ir + E （5）式中 E-反电动势（V）I-绕组中的平均电流（A）r-绕组的电阻（）U-开关管或换向器上的电压降（V）U-供电电压起动或堵转之时，电机转速为零故反电势为零，据（4）式，I=（U-U）/r，电流最大。一般的，输出力矩也最大。U只有1伏不到，r一般也小于1，可见I值很大，可到几十至上百安培。这会导致线圈和控制器烧毁，磁钢退磁，因此控制器一定要有限流功能，即不让电流超过某个值。6 转速与供电电压的关系将（2）、（3）、（4）三式代入（5）中，整理得n =(U-U) /Ke-(Tm+T0) r/Ke*Km (6)如果让负载不变，则输出力矩Tm是常数，上式第二项中的量就是常数，此时，n与U的关系是正比关系（略去U），即改变电压就能改变电机转速。直流电机的调速方法之一，就是利用了这一关系。7 输出功率与输出力矩的关系可以用数学方法证明，输出功率Pout与输出力矩Tm的关系为一抛物线型函数的关系。输出力矩为零时和最大（堵转）时，输出功率为0；在最大输出力矩的一半处，电机有最大输出功率，其值与供电电压的平方成正比，与电机线圈电阻值或反比。8 电机电流与输出力矩的关系计算可得I=Tm/Km+To/Km (7) 此式说明，电流与输出力矩是正比关系，画在图上，是一条直线。9 电机效率与输出力矩的关系电机效率的定义是=Pout/Pin 或=1-Ps/Pin （8）Pin为电机的输入功率IU，Ps为总的损耗，是风阻损耗、绕圈热损耗、摩擦损耗、电磁损耗等各项损耗之和。电机启动和堵转时，输出功率Pout为0，这两处的效率也为零，中间处大于0，可知对Tm的曲线是一凸型的曲线，有最大值。但输出力矩不同时，总损耗值不一样，故不是对称型曲线。使用电机测功仪，可以得到电机的输出功率、效率、电流、转速随输出力矩变化的每一个数值，画出图来，就是电机的性能曲线图，它符合上述的关系特点。在图上，横坐标是输出力矩，而不同的纵坐标曲线，代表不同参数随输出力矩变化的规律。纵坐标的单位不一样，这是需要注意的。以下是一个实际电机的性能曲线图，应当学会看懂它，并借助不同电机的性能曲线图，比较、判断电机的特点和优劣。在判定电机性能时，电机效率是一个十分重要的参数。举例说，一辆20寸轮径的车，电机每分钟176转时，电机效率为0.78, 电流6安培，换用另一电机，其它条件不变（无风），它的电流也是6安培，但此时的电机效率为0.76。因两电机输入电流和电压都一样，故消耗的电能一样。但计算可得，后一电机每分钟比前者少4.52转，车行距离相差7.2公里。如果电池能放电100分钟（匀速行驶），则两种电机的续行里程要差7.2公里。这是一个很显著的差距，而仅仅因为在同一工作点上工作效率有两个百分点的差别（考虑到车快时相对风阻也大，故实际的续行里程之差略小于7.2公里）。本节最后，介绍电动车启动过程中电机的工作状态变化。考虑在平直路上启动，并一下将转把转到最大。这时电机从堵转状态开始工作，工作电流最大，电磁力矩也最大，此力矩驱动电机做加速转运，加速度的大小与电机特性、车重、路况、内摩擦力、风阻有关；随车速增加，反电动势也增加，电机电流开始减小，电磁力矩也减小，加速度随之减小；但车速和反电动势仍增加，电流进一步减小，直至退出限流状态。到加速度为0时，车速达到最大，电磁力距Te最小，此后电动车作匀速运动。五、关于电机与控制器匹配的若干问题电机与控制器匹配问题涉及以下方面，分别叙述如下：1电机、控制器的额定电压要一致，并与电池组电压一致。如果电池电压低于电机额定电压，电机将得不到额定功率，变慢，出力不够；反之，电机将变快，甚至超过限速很多，发生安全隐患。因此，电机的额定电压应等于电池组电压。控制器的额定电压，也一定要与电机额定电压（即电池组压）一致，原因有两个：（1） 控制器中功率管以及电源电路器件的选取，都与额定工作电压相关。如果在额定工作电压下工作，它就是安全可靠的。如果实际工作电压高于额定电压，就可能造成损坏。（2） 依据电池的类型和额定电压的高低，控制器中会设置一个欠压值，一旦实际工作电压低于此值，控制器就切断电机供电，防止电池因过放电而损坏。假如把48V额定电压的控制器用在了36V电池组上，控制器就会认为已经欠压而不再工作了；反过来，控制器即使不损坏，也失去了欠压保护功能。2 限速情况下，电机与控制器的匹配 按有关规定，电动自行车在平路行驶、风速小于3米/秒及载重75KG的情况下，最高时速不得超过20Km/h。但实际上大家都超标。因此，整车厂要求控制器厂协助，用限速方法使整车在出厂时满足这一要求。但是有人误解，以为控制器厂家单方面就能精确控制车速。事实上，控制器厂只有在了解电机性能的条件下，才能做到相对准确地限制最高速度。正确的做法是，用不限速的控制器装在车上，在标准测试条件下，测出车速的最大值，将此值告诉控制器厂。而不能仅仅说“你们帮我们搞定”。3低内阻电机对控制器要求更高堵转时或启动时，电机中电流很大，与内阻成反比。限流以后，内阻大的电机与内阻小的电机，虽然电池电流都一样，比如都是15A，但电机线圈中的电流相差很多，越接近堵转状态相差越大。这要求控制器限流器件的反应速度更快，功率器件的规格更高些。故选用低内阻电机时，应进行充分的试验。一般地，直槽多极（20对磁极左右）无刷电机的线圈电阻比较低，两相线圈间的电阻有的已低于0.25欧，而多数斜槽8对极的电机，内阻在1欧左右。盘式有刷高速电机的内阻也很低，有的只有几十毫欧。4 无刷电机电相位角与控制器匹配无刷电机有不同的相位角，它要与相同相位角的无刷控制器配合使用。这实际上是要求位置编码器与译码器的配合，否则电机不能工作。第四章 控制器的原理和结构电动自行车采用控制器的主要目的是控制电机运转速度和对整车电气系统及有关电气装置进行有效的控制和保护。一、 控制器的类型由于各个电动自行车采用的电机形式不尽相同，参数结构也不尽相同，所以所选用的控制器的形式、参数也必然不同，主要分为有刷电机控制器和无刷电机控制器两大类。二、 控制器的调速原理我们知道，控制器最主要的功能就是实现对电机的调速。我们也电机介绍中知道了直流电机的转速是与加在电机绕组上的端电压成正比的。端电压高则电机转速高，端电压低则电机转速低。蓄电池提供的电压是固定的，如何把这固定的电压变成可调电压加到电机端子上？现在普遍采用的是脉宽调制（PWM）办法，这是直流调压和直流电机调速中能量利用率较高的一种方式。图4-1 说明了PWM方法的原理。v v E E U t T T T T T t 图4-1一个不变的电压E，经过开关周期性的开闭作用然后再加到电机线圈上，其平均值U小于等于