基本结构与旋转过程 1. 基本结构

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发布时间: 2019-09-07　更新时间: 2019-09-07

1. 基本结构

(1)低速有刷轮毂式直流电动机(有刷无齿式)。低速有刷轮毂式直流电动机的旋转过程与中、小型直流电动机是一样的,即利用载流导体(电枢)在磁场中受力,而将直流电能转换为旋转机械能。为了适应电动自行车的要求,在结构上做了重大改动:转子在外面且嵌置有绕组(称电枢绕组),与轮毂、辐条、钢圈、轮胎一起转动,带动自行车前进;定子在内部,为一个永磁体,产生电枢绕组旋转所需要的磁场。另外,定子上还设置有电刷,其引线穿过固定的中轴及转速控制器与电瓶相连接,负责向电枢绕组供电。目前,这种结构的低速有刷轮毂式直流电动机已逐渐被性能更为优越的高速有刷轮毂式及高、低速无刷式轮毂式直流电动机所替代。

(2)高速有刷轮毂式直流电动机(有刷有齿式)。由于高速有刷轮毂式直流电动机的转速(3 000 r/min)远大于电动自行车需要的旋转速度(200 r/min),需要降低其转速。目前通用的做法是采用设在轮毂中的齿轮降速,这就是“有刷有齿”名称的来源。除了降速齿轮外,高速与低速有刷轮毂式直流电动机的其他组成是相似的,其转动过程也是一样的。

(3)高、低速无刷轮毂式直流电动机。有刷直流电动机中,电刷与换向器之间的磨损是不可避免的。一方面,随着电动机运转时间的延长,必然要更换电刷;另一方面,电刷磨损产生的炭粉对电动机的工作寿命有影响。针对这种情况,高、低速无刷直流电动机最大的改进是用电子开关和位置传感器代替了电刷和换向器,其最大优点是效率高、免维护、噪声小、输出功率大等;缺点是控制电路较复杂。

2. 旋转过程

为了便于说明问题,下面以图2-9所示转子在中间、定子在外面的无刷直流电动机为例,简要叙述一下它的转动过程。图中W₁～W₃为定子的3个绕组,当通有电流时便产生磁场;H₁～H₃为3个转子位置传感器,通常由霍尔元件组成,其作用是检测转子所处的位置;转子为一个具有S极和N极的永磁体;控制器(电子开关)的作用是根据转子的不同位置控制W₁～W₃中电流的通断。

(a)结构

(b)等效电路

图2-9 无刷直流电动机的转动过程

当H₁检测到转子的N极位于图中位置时,控制器使W₁通电并形成磁极S,从而吸引转子的N极,使其沿着图示箭头的方向旋转;待H₂检测到转子的N极时,控制器使W₂通电并形成磁极S,吸引转子的N极,使其继续旋转;待H₃检测到转子的N极时,控制器使W₃通电,同样形成S极,吸引转子的N极,转子继续旋转……就这样,W₁～W₃在控制器的控制下,根据转子N极的不同位置,不断地通电、断电,形成产生吸引力的S极,使转子周而复始地旋转下去。不难推知,控制器的工作过程是比较复杂的,必须恰到好处地控制W₁～W₃中电流的方向和通、断时刻,才能按要求产生吸引转子N(或S)极旋转的S(或N)极。否则,便不能保证转子始终沿着顺时针方向旋转下去。显然,转子所在处的磁感应强度越大,W₁～W₃中通过的电流越大,则转子旋转得越快,输出功率亦越大。也就是说,通过控制加在W₁～W₃两端电压的高低和通过电流的大小,即可实现对无刷直流电动机转速的控制。

与有刷直流电动机一样,实际应用中的无刷直流电动机,其转子在外旋转,带动车轮前进。定子上绕有3个线圈,在内侧固定不动,由直流电源——电瓶供电。目前,电动自行车用的无刷轮毂式直流电动机的转子采用钢件车制,其内壁贴有16块高效稀土磁铁;其定子由许多硅钢片叠压而成,外圈圆周的凹槽中嵌置着3组用以产生磁极的线圈;在嵌放3组线圈的起始槽口嵌放3只由霍耳元件组成的转子位置传感器。无刷直流电动机的转速一般为200 r/min,故不需要齿轮减速。常用3大种类的自行车用轮毂式直流电动机的外形及其内部构造如图2-10、图2-11、图2-12所示。