【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 5 電氣儀表裝置是保證車輛安全行駛并反映車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效地對(duì)車輛行駛適時(shí)地進(jìn)行控制。它由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器等組成 [4]。 6 第二章 關(guān)鍵部件的特性分析 蓄電池特性分析 相對(duì)于燃油類能源而言，目前蓄電池的能量密度較低，是限制和影響電動(dòng)自行車性能的主要因素，因此在電動(dòng)自行車的設(shè)計(jì)中恰當(dāng)?shù)倪x擇蓄電池顯得十分重要。可以按照電動(dòng)自行車一次充電所要求的行程 及克服行駛阻力所需做的功來(lái)確定蓄電池容量和功率等級(jí)。 蓄電池的工作過(guò)程就是化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的變化規(guī)律。當(dāng)蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而供電機(jī)使用時(shí)，叫放電過(guò)程 。當(dāng)外界將反電流通入蓄電池，使其將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能并儲(chǔ)存起來(lái)，這時(shí)為充電過(guò)程。這種充放電的過(guò)程是可逆的，可循環(huán)的 ， 這也是蓄電池的一大特性 — 可重復(fù)性 [9]。 表 21 蓄電池基本工作性能參數(shù)及特性方程 蓄電池工作參數(shù) 定義 符號(hào)說(shuō)明 端電壓 Ud Ud=U0Id Ri U0為蓄電池的開(kāi)路電壓 Ri為蓄電池的內(nèi)阻 Id為放電電流 輸出功率 Pd Pd=Ud Id 放電時(shí)間 t t=K Idn K． n 分別為與蓄電池型有關(guān)的參數(shù) 放電效率 ? =1（ Ri Id/Ud） 由表 21 中蓄電池的放電效率和放電時(shí)間特性方程可知，由于內(nèi)阻的影響，蓄電池放電效率隨放電電流增大而線性下降，放電時(shí)間則相應(yīng)按指數(shù)曲線下降 [11]。 電機(jī)特性分析 稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、開(kāi)關(guān)電路、位置傳感器三部分。原理框圖如圖 所示 [13]。 ? 稀土永磁電動(dòng)機(jī)本體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。常用的有三種結(jié)構(gòu)形式 :轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體 。轉(zhuǎn)子鐵心中嵌入矩形板狀稀土永磁體 :轉(zhuǎn)子外套上一個(gè)整體粘結(jié)稀土磁環(huán)的環(huán)形永磁體。還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié) 7 構(gòu)，即帶有稀土永磁極的轉(zhuǎn)子在外，嵌有繞組的定子在里。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)形式最適用于電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)。 圖 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的原理框 ? 開(kāi)關(guān)電路由逆變器 VF和驅(qū)動(dòng)電路組成。 逆變器主電 路有橋式和非橋式 (圖 )兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開(kāi)關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 ? 轉(zhuǎn)子位置傳感器 PS 是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號(hào)的一種裝置。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置 。其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。 圖 非橋式逆變電路 三個(gè)霍爾元件沿圓周均勻分別粘貼于電機(jī)端蓋上，彼此相差 120 度。電角度，并分 別與定子三相繞組首端所在槽中心線對(duì)齊，霍爾傳感器轉(zhuǎn)子永磁體為 180 度 直流電源 開(kāi)關(guān)電路 電動(dòng)機(jī) 位置傳感器 8 表 22 正轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系 霍爾元件信號(hào) 導(dǎo)通繞組 導(dǎo)通管子 Uha Uhb /Uhc BA vv 61. /Uha Uhb /Uhc CA vv 21. /Uha Uhb Uhc CB vv 23. /Uha /Uhb Uhc AB vv 43. Uha /Uhb Uhc AC vv 45. Uha /Uhb Uhc BC vv 65. 電角度的薄片，與轉(zhuǎn)子同 軸安裝，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)的端面與霍爾元件的氣隙為 lmm左右，傳感器永磁體軸線與轉(zhuǎn)子主磁極軸線垂直。 電機(jī)轉(zhuǎn)一周時(shí)對(duì)應(yīng)的各相繞組導(dǎo)通順序和功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯以及三個(gè)霍爾元件輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系，如表 22 所示。 當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò) 60 度電角度時(shí)，逆變器各開(kāi)關(guān)管之間就進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次?？梢?jiàn)電機(jī)有六個(gè)磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過(guò)電流的時(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 120 度電角度。每個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通角為 120 度，故該逆變器為 120 度導(dǎo)通型。為便于直觀，將電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的三相繞組與各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系見(jiàn)圖 。 9 圖 三相繞組與各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)詢頂序關(guān)系 無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析 由于稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)、反電勢(shì)以及電流是非正弦的，因此采用直、交流坐標(biāo)變換己不是有效的分析法。而直接利用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來(lái)建立數(shù)學(xué)模型的方法即簡(jiǎn)單又具有較好的準(zhǔn)確度 [8]。 假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁損耗，三相繞組完全對(duì)稱，則三相繞組的電壓平衡方程可表示為 : ???????????????????????????????????????????????????????????????EcEbEaIcIbIaPM M LM L ML M MIcIbIarrrUcUbUa000000 (21) 10式中 UcUbUa , — 定子相繞組電壓 (V)。 IcIbIa , — 定子相繞組電流 (A)。 EcEbEa , — 定子相繞組電動(dòng)勢(shì) ((V)。 L — 每相繞組的自感 ((H)。 M — 每相繞組間的互感 (H)。 P — 微分算子 dtdP /? 。 對(duì)于方波電動(dòng)機(jī)，上式中三相方波電流和三相梯形波反電勢(shì)如圖 所示。由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。 當(dāng)三相繞組為 Y 連接，且沒(méi)有中線，則有 0??? IcIbIa (22) 并且 MIcMIbMIa ??? (23) 將式 (22)和式 (23)代入式 (21)，得到電壓方程為 ??????????????????????????????????????????????????????????????????EcEbEaIcIbIaPMLMLMLIcIbIarrrUcUbUa000000000000 (24) 電磁轉(zhuǎn)矩為 )***(*1 IcEcIbEbIaEaT ??? ? (25) 根據(jù)電壓方程式 (24)，可得電機(jī)的等效電路圖，如圖 所示。 圖 方波電動(dòng)機(jī)的等效電路圖 11 電機(jī)的運(yùn)行特性分析 電動(dòng)機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可分為 :起動(dòng)特性、電動(dòng)運(yùn)行特性、制動(dòng)特性、機(jī)械特性及調(diào)速特性。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，其電勢(shì)平衡方程式為 : UEU riacpacp ???? * (26) 中 U — 電源電壓 (V)。 E — 電樞繞組反電勢(shì) ((V)。 iacp一平均電樞電流 (A)。 racp— 電樞繞組的平均電阻 (ω )。 U? — 功率器件的飽和管壓降 (V)。 對(duì)于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反 電勢(shì)均可表示為 : nKeK *? (27) 式中 n — 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)。 Ke — 反電勢(shì)系數(shù) (V/r/min)。 由方程式 (26)、 (27)可知 KeUUKeEn ri ac pac p *????? (28) 在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為 : TTT 01?? （ 29） 式中 T — 電磁轉(zhuǎn)矩 (N*m) T1 — 輸出轉(zhuǎn)矩 (N*m) T0 — 摩擦轉(zhuǎn)矩 (N*m) 這里 iacpKtT *? (210) Kt — 轉(zhuǎn)矩系數(shù) ((N m/A)。 在轉(zhuǎn)速變動(dòng)情況下，則有 12 dtdJT TT ????01 (211) 式中系數(shù) : J— 轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (( **mN s2 )。 dtd? 一轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度 ( /rad s2 )。 下面從這些基本公式出發(fā)，來(lái)討論無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性 [5]。 由方程式 ((26)、 (210)、 (211)可知，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電勢(shì)為零，因此電樞電流 (即起動(dòng)電流 )為 riacpnUU )( ??? (212) 其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢(shì) E 增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下， 6 只開(kāi)關(guān)管任意時(shí)刻只有 2 只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上橋臂和下橋臂。 圖 動(dòng)運(yùn)行等效電路圖 13 由圖 的運(yùn)行等效電路圖可得，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí) Vl 管和 V6 管導(dǎo)通時(shí)通 電回路的回路電壓方程如下 : eililimriimilrrieu bbbabaabbbbabaaaaaad dtddtddtddtddtd ?????????? ****** (213) 式中 ee ba, 一 A, B 相電勢(shì)，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)最大幅值 EUd/2 rr ba, — 相電阻， RA=Ra=R。 ll ba, — 相電感， La =Lb