住友电气工业全球首次试制出了用超导马达驱动的电动汽车。将从2008年6月19日起在北海道札幌市举行的“北海道洞爷湖高峰会议纪念
环境综合展2008”上向公众公开。该公司已证实高温超导技术能够应用于电动汽车马达,向社会宣传高温超导技术。

上接:住友电工试制出用超导马达驱动的电动汽车

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配备超导马达的试制车

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图1:配备超导马达的试制车

随着科学技术的不断发展,电动机技术也在不断地革新。尤其是如今工业领域对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求,空心杯电机也就应运而生了。空心杯电机采用的是无铁芯转子,这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗,大大地提高了电动机的伺服特性。既然空心杯电机功能如此强大,下面小编为您详细讲解空心杯电机结构原理、优缺点、型号与使用寿命的先关知识。

电动汽车马达使用的线圈,为减小电阻一般采用降低电流、提高电压的方法。但降低电流将难以实现大的扭矩。超导线圈由于没有电阻,能够以较少的转数和低电压通过大电流,从而产生较大的扭矩。此次的试制车以乘用车为原型,今后将进一步研究超导马达在大巴、卡车等大型车上的应用。

住友电气工业2008年6月12日在新闻发布会上展示了配备超导马达的试制车。所配备的马达为爪极型DC马达,定子采用的是超导线圈,转子采用的是铜线。

一、空心杯电机结构原理

图片 4 超导马达

该公司此次试制配备超导马达的电动汽车的理由是,在以线性马达车等铁路车辆为首,超导电缆及船舶用超导马达等逐步迈向实用化的情况下,让人们知道超导的应用其实离现实生活非常近。

空心杯电动机采用的是无铁芯转子,也叫空心杯型转子,在结构上突破了传统电机的转子结构形式。空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机,也可以将其归类为微特电机。

超导磁铁既可用于定子又可用于转子。从公开的照片上看不出连接转子的制冷剂配管的密封有何异常,估计应该是只有定子使用了超导线圈。

由于是赶制可以试驾的汽车,此次试制的马达并不是AC马达,并且未将转子制成超导线圈。另外,定子的超导线圈中虽然可通100A以上的电流,但考虑到安全因素,目前最大只通到40A的电流。超导线圈采用的是该公司已上市的铋类线材“DI-BSCCO”,总长240m,线材尺寸为宽4mm×厚0.2mm。

1、空心杯电机结构

下接:

马达上部配备有容积4L的液态氮容器,通过这一容器来冷却定子,以产生超导状态。利用4L液态氮,可在超导状态下行驶2小时左右。超导线圈由热电偶和电流传感器监控,可以在温度上升破坏超导状态前,切断供电。

空心杯电机的结构组成为:后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁、法兰、定位环。

住友电气工业力争10年内将超导马达配备于业务用车

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图2:在发动机部分配备马达

定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场,使电机无铁损耗。没有软磁性牙齿。所产生的转矩是均匀的,即使在低速下也能使运行平稳。在较高的速度下,电机能减少振动,减少噪音。有绕组和换向器的转子。绕组通过所谓的换向板连接到轴上。线圈在磁铁和外壳之间的气隙中运动。换向系统使用一对贵金属刷减少了电刷火花。减少的电刷火花产生较少的电磁排放。

此次的原型车为丰田汽车的“Comfort”。在拆掉发动机后空出的部分设置了马达,并使其与手动变速器连接起来。马达的输出功率为31kW,外形尺寸为直径约300mm×长400mm。电源由12个12V的铅蓄电池串联而成,电压提高到了144V。由于马达在转速很低的状态下也具有扭矩,因此试运行时,将手动变速器固定在了5档上。

2、空心杯电机原理

图片 6 图3:试乘时的样子

空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式,采用的是无铁芯转子,也叫空心杯型转子。

首先配备于业务用车

这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗,同时其重量和转动惯量大幅降低,从而减少了转子自身的机械能损耗。所以空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。

住友电气工业表示,超导马达在船舶中正在接近实用化。预计在陆上运输领域也存在需求。希望今后将在混合动力车、插电式混合动力车及电动汽车等电动车辆中配备超导马达,以实现马达的小型化及低电压化。

二、空心杯电机优缺点

关于超导马达的实用化,该公司表示在使用频率不高的乘用车进行配备还为时尚早,不过将力争10年内能够配备于大巴等业务用车。如果是业务用车的话,可以设想出这样的行驶模式:暂时不安装冷冻机,而是配备可供行驶一天所需的冷却用液态氮。

空心杯电机优点:

将来冷冻机改进后,小型冷冻机将达到能够配备于乘用车的尺寸,便利性也将得到提高。另外,如果能够与燃烧液态氢的燃料电池车配套使用,与使用液态氮相比,可以使超导马达冷却到更低温度,就能够通更大的电流。实际上,以现有的超导线圈而言,利用液态氮冷却,只能通200A左右的电流,而利用液态氢使其冷却至20K,则可以通高达1000A的电流。这样,可以进一步减小马达尺寸,提高输出功率。

1、功率密度高

功率密度是输出功率与重量或体积的比值,铜板线圈方式的马达体积小,性能好。与传统的线圈相比,铜板线圈方式的感应线圈要轻。

无需卷线和有槽硅钢片,消除了它们产生的涡流和磁滞损耗;铜板线圈方式的涡流损耗很小并且易控制,提高了马达的效率,确保了较高的输出转矩和输出功率。

2、效率高

马达的效率高在于:铜板线圈方式没有卷线和有槽硅钢片造成的涡流和磁滞损耗;另外,电阻较小,降低了铜损。

3、无转矩滞后

铜板线圈方式无有槽硅钢片,无磁滞损耗,无齿槽效应减少了速度和转矩波动。

4、无齿槽效应

铜板线圈方式无有槽硅钢片,这就消除了槽与磁石相互作用的齿槽效应,线圈是没有铁心的结构,所有的钢铁部件要么一起转动,要么全部静止不动,齿槽效应和转矩滞后现象明显不存在。

5、启动转矩低

无磁滞损耗,无齿槽效应,启动转矩很低。在启动时,通常轴承负荷是唯一的阻碍。这种方式可以使风力发电机的启动风速很低。

6、转子与定子间无径向作用力

由于没有静止的硅钢片,所以不存在转子与定子间的径向磁力。在关键应用场合中,这一点尤其重要。因为转子与定子间的径向力会造成转子不稳定。减少径向力将改善转子的稳定性。

7、速度曲线平滑,噪音小

没有有槽的硅钢片,减小了转矩和电压的谐波。同时,由于马达内不存在 AC
场,所以也没有 AC
产生的噪音。仅有轴承和气流产生的噪音和非正弦波电流造成的振动。

8、高速无刷线圈

高速运转时,电感值小是必要的。电感值小使启动电压低。通过增加极数和减少机壳的厚度,电感值变小有助于降低马达的重量。同时,又提高了功率密度。

9、快速响应有刷线圈

铜板线圈方式的有刷马达,由于感应值低,电流对电压的波动响应快。转子的转动惯量小,转矩与电流的响应速度相当。因此,转子加速度是传统的马达的
2 倍。

10、峰值转矩高

峰值转矩与连续转矩的比值很大,是因为当电流上升到峰值的过程中,转矩常数是不变的。电流与转矩的线性关系使马达能产生较大的峰值转矩。传统的马达,当马达达到饱和后,不管再加多大的电流,马达的转矩不会再增加。

11、正弦波诱起电压

由于线圈的精确位置,马达的电压谐波较低;并且由于铜板线圈在气隙中的这种结构使产生的诱起电压波形平滑。正弦波驱动和控制器可以使马达产生平滑的转矩。这种特性在慢速运转的物件和精确位置控制上特别有用,平稳运转控制是其关键。

12、散热效果好

铜板线圈内外表面都有空气流动,这比有槽转子线圈的散热好。传统的漆包线嵌在硅钢片的槽里,线圈表面气流很少,散热情况不良,温升较大。同等的输出功率,铜板线圈方式的马达温升较小。

空心杯电机缺点:

当直流电机处于静止状态时,如果绕组一相切断或电源切断一相接通电源,绕组的发生的磁场点2个大小相等,方向相反旋转磁场,它们和转子作用发生的扭矩大小相等,方向相反相互抵消,零起动转矩电机不能启动,这便是空心杯减速电机的缺点。

空心杯减速电机的缺点是一种危险很大的故障,首先我们需要检查下直流电机是否故障,检查电源电路是否有断路开关,是否有熔保险丝,然后检查三相绕组各相有无断流现象。

另外,重新启动电机,如果电机阻隔故障,不能启动,同时嗡嗡响的,这个时候及时切断电源。电源电缆断线的话,断了的时候更是查明,再下面的线索良好时熔保险丝,应该换同规格的熔场合启动器故障,应该认真的检查和修理发动机,如果一相巻线遮断,下面是重新考虑好或交换切断绕组。

三、空心杯电机型号

空心杯电机分为有刷和无刷两种,有刷空心杯电机转子无铁芯,无刷空心杯电机定子无铁芯。

市场常见空心杯电机型号为:供应直径Φ4、Φ6、Φ7、Φ8、Φ10、Φ12、Φ15空心杯电机。

四、空心杯电机使用寿命

空心杯电机的寿命一般在15年至20年,空心杯电机的寿命长短大体上取决于使用者的保养,使用环境的好坏及电机在使用中受到的电磁、热、振动等因素,具体的空心杯电机应具体的分析。

例如,像通用有刷小功率电机,其寿命就主要取决于换向器,轴承,电刷的长短,它们的寿命终结后,无法更换。

对直流电机,永磁直流电机等中小功率的电机,它们的寿民就取决于整流子和绕组的绝缘寿命,轴承的损坏和电刷磨光可以更换,甚至于永磁材料退磁后可进行再冲磁,这就延长了电机的寿命,比买新电机要便宜多了。

通常如好好的保养,合理的选择空心杯电机的容量和安装的形式等,都会使电机的使用寿命达到所设计的使用寿命,甚至远远超过设计寿命。

以上就是小编为您讲解关于空心杯电机结构原理、优缺点、型号与使用寿命的全部知识内容。多年来空心杯电动机凭借着突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性使得其在很多领域代表了电动机的发展方向。而且作为高效率的能量转换装置,空心杯电动机在很多应用场合都拥有了不可替代的地位。

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