霍尔传感器
与有刷直流电机不同,无刷直流电机使用电子方式换向。要使BLDC转起来,必须要按照一定的顺序给定子通电,那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电。定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。通常会安排3个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。无论何时,只要转子的磁极掠过霍尔元件时,根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平,这样只要根据3个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置,并相应的对定子绕组进行通电。
霍尔效应:当通电导体处于磁场中,由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集,当薄平板通电导体处于磁场中时这种效应更为明显,这样一侧聚集了电荷的导体会抵消磁场的这种影响,由于电荷在导体一侧的聚集,从而使得导体两侧产生电压,这种现象就称为霍尔效应,E.H霍尔在1879年发现了这一现象,故以此命名。
霍尔元件安放在电机的固***置,将霍尔元件安放到电机的定子是比较复杂的,因为如果安放时位置没有和转子的磁场相切那么就可能导致霍尔元件的测量值不能准确的反应转子当前的位置,鉴于以上原因,为了简化霍尔元件的安装,通常在电机的转子上安装一颗冗余的磁体,这个磁体专门用来感应霍尔元件,直驱电机的价格,这样就能起到和转子磁体感应的相同效果,霍尔元件一般按照圆周安放在印刷电路板上并配备了调节盖,这样用户就可以根据磁场的方向非常方便的调节霍尔元件的位置以便使它工作在状态。
霍尔元件位置的安排上,有60°夹角和120°夹角两种。基于这种摆放形式,BLDC的电流换向顺序由制造厂商制定,当我们控制电机的时候就需要用到这种换向顺序。
注意:霍尔元件的电压范围从4V到24V不等,电流范围从5mA到15mA不等,所以在考虑控制器时要考虑到霍尔元件的电流和电压要求。另外,霍尔元件输出集电极开路,使用时需要接上拉电阻。
永磁电机,顾名思义就是:里面带磁芯的电机。它与异步电机大的不同在于转子独特的结构,在转子上放有高质量的永磁体磁极。它的特点是:单位重量的功率大,过载电流大,赣州直驱电机,但是,它转速较低。适用于低转速高扭矩,大转矩低速永磁直驱电机,所有两驱车使用的都是永磁电机居多。而且,因为有磁芯,永磁电机成本较高。
异步电机和永磁电机结构类似,只是没有磁芯,(还记得中学课本上的切割磁力线产生电流吗?)它的特点是:它在没有通电的时候是没有磁场的,所以,它很耗电,只有通过大量电才能产生磁场。它高转速能达到1.5万转/分钟,是高速电机,高转速产生大功率。但是,它成本较低,过载能力强,使用安装维护方便。
电动汽车的动力性能体现在高时速和百公里加速时间两个方面,它由电机输出功率决定,电机输出功率则由转速和扭矩决定,特斯拉采用的是交流异步电机,可以通过超高电压及弱磁驱动,实现超10000转的高转速,同时通过驱动变频器等电机控制系统,可实现电机在600Nm的大扭矩运行,由此保证特斯拉电机输出高功率,从而提升特斯拉动力性能,这也是特斯拉为什么钟情于交流异步电机的原因。异步电机虽然成本较低,但是它消耗大量电,所以能耗较高。
目前市场上的新能源汽车,比如比亚迪唐EV是前后双永磁电机布局,四轮驱动,综合大功率360千瓦,综合大扭矩330牛·米。理想ONE采用的也是双永磁电机,动力上百公里加速需要6.5秒,比亚迪唐比理想ONE快了2秒。而蔚来ES6则是前永磁后异步。前面永磁160kw,后面异步240kw。这个异步电机不是永远在工作,只有电脑检测到你有加速的意愿时,它才开始工作。所以,直驱电机的优点和缺点,能耗不是特别高。这种搭配规避了双永磁电机后箱底电池互相排斥的矛盾,在目前是比较***的。
内置式转子磁路结构。在这种磁路结构中,永磁体位于转子内部,永磁 体外表面与气隙之间有铁磁物质制成的极靴,极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼,起阻尼或起动作用。这种结构动、稳态性能好,广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系,内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。
1)内置径向式转子磁路结构。这种结构(见图2 - 7)的优点是漏磁系数小、转轴上不需采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。图2 - 7 Ca)是早期采用的转子磁路结构,现己较少采用;图2 - 7 Cb)和图2 - 7 Cc)中,永磁体轴向插入永磁体槽中并通过隔磁磁桥限制漏磁通,其具有结构简单、运行可靠、转子机械强度高的优点,近年来应用较为广泛;图2 - 7 Cd)是外转子永磁同步电动机所采用的一种内置径向式转子磁路结构。
2)内置切向式转子磁路结构。这种结构的漏磁系数较大,并 且需采用相应的隔磁措施,制造工艺和成本比径向式结构有所增加。其优点在于一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供,可得到较大的单极磁通(也称每极磁通)。尤其当电动机极数较多、径向式结构不足以提供单极磁通时,这种结构的优势就显得更为突出。此外,采用这种结构的永磁同步电动机的磁阻转矩可占总电磁转矩的40%,这对充分利用磁阻转矩、提高电动机功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围都是极为有利的。
(3)爪极式转子磁路结构。这种结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形 的永磁体构成,如图2 -10所示。左、右法兰盘的爪数相同,且两者的爪极相互错开,沿圆周均匀分布,永磁体轴向充磁,因而左、右法兰盘的爪极分别形成极性相异、相互错开的永磁同步电动机的磁极。爪极式转子结构的永磁同步电动机性能较低,又不具备异步起动能力,但结构和工艺较为简单。
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