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无刷电机与有刷电机的区别

2020-8-23 19:39| 发布者: admin| 查看: 58| 评论: 0|原作者: 佚名|来自: 网络

摘要: 电动机有有刷和无刷之分。有刷电动机的2个刷(铜刷或者碳刷)是通过绝缘座固定在电动机后盖上直接将电源的正负极引入到转子的换相器上,而换相器连通了转子上的线圈,3个线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的2块磁铁 ...
电动机有有刷和无刷之分。有刷电动机的2个刷(铜刷或者碳刷)是通过绝缘座固定在电动机后盖上直接将电源的正负极引入到转子的换相器上,而换相器连通了转子上的线圈,3个线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的2块磁铁形成作用力而转动起来。由于换相器与转子固定在一起,而刷与外壳(定子)固定在一起,电动机转动时刷与换相器不断的发生摩擦产生大量的阻力与热量。所以有刷电机的效率低下损耗非常大。但是,他同样具有,制造简单,成本及其低廉的优点!
无刷电机顾名思义就是没有任何刷!他的空载阻力主要来自转子与定子的旋转接触点,所以一般的无刷电机在转子两端都使用了滚珠轴承来减小摩擦!这样就不会有大量的摩擦阻力与热量(其实还是会发热,只是热源来自于线圈上的电阻损耗),具有极高(80%-90%以上)的效率与高转速!一般应用在需要大功率输出的模型上,提供卓越的强劲动力!
然而,经常有人会称“直流无刷电动机”,但事实上模型上使用的无刷电机就是3相交流电动机。那为什么我们可以用普通的直流电源来驱动他呢?奥秘就在于我们使用的无刷电子调速器!无刷电子调速器与有刷电子调速器的根本区别在于无刷电子调速器将输入的直流电源,转变为三相交流电源,为无刷电动机提供电源。
那么,提到无刷电机,我们就要关心它的KV值啦。KV是一个转速单位等同于RPM/V,就是每1V电压获得的每一分钟的空载转速。转速=KV值*电压。
一)“无刷”“有刷”的基本概念: 目前电动自行车广泛采用的是直流永磁电机,直流永磁电机按照是否采用电刷换向可分为有刷电机和无刷电机两种,有刷电机是直流电机的主流产品,目前绝大多数电动自行车电机都是有刷电机。无刷电机是一种特殊的直流电机,它采用内置传感器外加电子换向器的方法进行电子换向,无刷电机主要是为了消除电刷的磨损,以及电刷接触所产生的噪声。
二)有刷电机的缺点没有成为阻碍它在电动自行车中广泛应用的要素: 电刷磨损和电机噪声是“有刷”相对与“无刷”的两个最主要的缺点,但尽管存在这两个缺点,为什么国内绝大多数品牌厂家仍采用有刷电机的方案呢,难道他们没有意识到这个问题吗?原因在于:
A)电刷的磨损不构成主要问题 电动自行车是一种间断性工作的交通工具,一组电池通常最长的放电时间(骑行时间)一般为2-3个小时,使用者每天使用贸易的平均时间大约为1-2个小时,而现在,广泛应用于电动自行车的盘式转子电机采用平面式换向器和优质加长式电刷,工作寿命一般在1500小时以上,因此,按每个用户平均每天骑车1.5小时计算,一组电刷的使用时间已达1000天。可以看出,一组合格的电刷服役时间已接近三年,而更换一组电刷的成本仅为5元左右,平均每年不足2元!更何况,电动自行车使用了3年也确实有必要对车辆作一些全面的检查和维护,更换一些磨损零件,宣扬贸易电机十年免维护这种夸大的观点,有误导消费者的嫌疑。
B)电机发出一点声音是正常的 笔者在走访市场时,一位无刷电机电动车的促销员,演示无刷电机在空载条件下的静音特性,以此证明无刷电机要比有刷电机优越得多,其实,购买电动车绝不是购买空调设备,消费者大可不必为它是否毫无噪声而作出购买与否的决定。事实上,使用过无刷电机电动车的用户会知道,无刷电机在空载时或低负载时(如平坦无风情况下)电机发出的声音确实很小,但是,当运行至重载状态如上坡,顶风,它往往会发出远远比有刷电机更为“巨大”的音响,甚至出现令人不适的电磁抖动,而这种声音在安静的店堂促销过程中是不会出现的。 事实上,车辆电机运行时发出一些声音是正常的,毕竟它是一种户外使用的交通工具,国家规定的噪声合格标准为小于62分贝,绝大多数国产有刷电机都可以将分贝值控制在55分贝以下,属合格产品。无刷电机的促销员引导消费者追求“静音”,像促销空调机那样去促销电动车,也有误导消费者之嫌疑,空调噪声太大会影响睡眠,而电动车发出一点声音是绝不会影响使用的!
三)现有的无刷电机方案存在的一系列问题: 某晚报《无刷胜有刷》一文武断地将有刷电机指责为“寿命短、噪声大、效率低”,甚至指出“一般使用6个月至一年就需要更换电机内的碳刷”,讨伐之音毫无顾虑!为此,本文也步其所为,略数电动自行车无刷电机之弊端。
A)传感器工作环境差,导致系统失效! 正规的无刷电机设计一般需要在非热源区设置光电或磁性(霍尔元件)传感器,用于检测电机转动位置,发出控制换向的信号,而现在市售的绝大多数所谓的电动自行车专用的无刷电机轮毂,由于受到设计尺寸和安装方式的限制,无法将传感器与热源隔离,几乎都采用了在铁芯定子上定位开槽并用胶水固定三个霍尔元件的方法来安装传感器,众所周知,电机的热源是一个客观存在,它来自电机的铜损和铁损,特别是当电机工作在较低效率区时,热量聚集的速度很快,于是铁芯就会发热,直接设置在热源区的传感元件会出现性能漂移,导致换向误差,一旦换向错误,则会导致电机效率的大辐度下降,温度进一步升高,以致进入恶性循环,直接导致电子换向器烧毁,一般表现为“短路”。一旦“短路”,无刷电机就有一种被“卡死”的感觉,转动十分困难,使用者甚至不能脚踩骑行。只有请三轮车或出租车运回,有经验的用户会自备一把剪刀,一旦短路卡死,就将电机输入线剪断,使之“开路”,这样,被烧毁的“无刷”,就可以蹬回到维修部了。
B)感应电动势,导致控制器烧毁: 笔者以顾客身份在询访市场时,有一位无刷的推销员,在向我自豪地介绍了“静音”特性之后,又兴致勃勃地演示无刷电机神奇的自充电功能:关闭总电源,摇动中轴,使后轮转动,然后鸣号表示已经发电,脚踩出来的电又被回收到电池中去了,她告诉我“电池若没有电可以自已发电”,神奇之极,且不去评价这种演示所表现的“永动机”属性违反了基本的能量守恒定律是多么的荒谬之极,骗个别消费者尚可,骗行家绝对不行,相反地,这种情况恰恰正是“无刷”的伤心地,由于无刷电机没有超越离合器,当车轮快速转动,在电机输入端会形成感应电动势,轮子转得越快,感应电动势就越高,当超过器件的耐压值时,会导致电子换向系统的“电压击穿”,电机又要短路,轮子骤然卡死,又需要求助于“一剪开路”了,这种情况往往会出现于下坡过程中,用户骑着无刷电动车吃吃力力地上坡,到了下坡,本以为可以轻松惬意一番,让它自由滑行,速度越来越快,感应电动势越来越高,终于导致元件被击穿,不用刹车就会停下来,这就是许多用户反映“无刷电动车”上坡时没坏,下坡时好端端地不会转的原因。
C)只说电机永不磨损、寿命十年,保修两年,就不说控制器! 无刷与有刷不同,有刷的换向器置于电机之内,而无刷则置于电机之外,因此,无刷电机系统实际上是由“电机”和“电子换向器”两部份组成的。无刷的电机部分确实存在着某种“永不磨损”的属性,而无刷的电子换向器却是一个故障率很高的部件,如前所述的各种故障均发生的控制器上。目前,许多无刷的推销员向顾客作出电机“保用2年、5年甚至10年”的承诺,但控制器(电子换向器)却只能保修壹年,更换一只控制器费用高达200元。事实上,若是算上无刷系统控制器的维修费用,其维修成本将大大超过有刷电机更换几个电刷的成本。一旦个别厂家撤消了对控制器(换向器)的保修承诺,消费者的使用成本将迅速增加。
D)系统可靠性与性能的矛盾: 无需讳言,无刷电机的可靠性与最大工作电流有很大的关系,降低最大工作电流会改善可靠性,但如果大幅度降低最大工作电流,那就会带来无刷电动车运行乏力,性能低劣的负面影响,消费者不欢迎,无刷没有市场。这确实是摆在无刷系统面前十分严峻的课题。
E)无刷更需讲“防水”: 笔者不仅一次地看见某些无刷电机的推广商将整个无刷轮毂浸泡在“鱼缸”里转动,以炫耀其“两栖”作业的“优异”特性,在水下,有刷电机确实存在着换向困难的缺陷,但是,电动自行车并不是潜水艇,为何需要在水中行驶呢?这种看似有学问的演示,着实让人看不懂!事实上这也算是一种“魔术”,因为无刷采用电子换向,演示者并没有将电子换向装置也置于水中,若是将整个控制器(换向装置)也放在鱼缸中,无刷电机的情况会比有刷更惨。事实上,无论是无刷还是有刷都采用钕铁硼作为永磁材料,这种材料具有许多优良的特性,但它最大的缺点之一就是抗氧化性差,置于水中无疑是将钕铁硼置于最恶劣的条件之中,会导致电机的寿命因氧化失效。另外,无刷电机中有大量的硅钢片,也是会生锈的,更需要讲防水,进行这样的演示,虽然可以误导一些观众,若被说穿也没有什么意义。
有刷电机用机械开关切换,产生旋转力矩。
无刷电机用霍尔元件测量转子的旋转角度,用电子开关切换定子绕组的电流分配,产生旋转力矩。

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