电机伺服驱动学习笔记(1)-概述

电机伺服驱动学习笔记(1)-概述

文章目录

  • 电机伺服驱动学习笔记(1)-概述
  • 前言
  • 一、为什么进行基础的伺服驱动器设计?
    • 1.这是一个很好的知识拓展与综合的项目
    • 2.新能源行业的迅速发展的需要
  • 二、电机分类与应用
    • 1.电机的大致分类和特点
    • 2.电机在新能源汽车中应用
    • 3.电机在飞机中应用
      • 3.1民航客机
      • 3.2 小型无人机
    • 参考文献


前言

本将不定期更新和改进,希望能够为非电机类专业的学生提供帮助,也为自己的知识库进行整理汇总。限于水平,错误难免,敬请评论中指出。

一、为什么进行基础的伺服驱动器设计?

1.这是一个很好的知识拓展与综合的项目

在掌握了《电工学》、《单片机原理》、《自动控制原理》等课程后,如果能有一个整体的应用应用项目学习,将有利于将不同课程所学的知识点连贯起来。

2.新能源行业的迅速发展的需要

新能源汽车的“三电”:电池、驱动电机、电机驱动器。电池和驱动电机设计都需要极为专业的知识,不适合其他机电类专业作为实践的项目,而电机驱动器设计本身所需要的技术基础是很多专业的学生接触过的。如果能加以实践,可以为课上学习与课下实践搭建起很好的桥梁。

二、电机分类与应用

1.电机的大致分类和特点

此处的电机特制旋转电动机,是将电能转换为机械能的设备。电机应用广泛,分类五花八门。
按照工作电源可以分为直流电机和交流电机;
按照工作原理分为同步电机和异步电机;
常见的有交流异步电机(感应电机)、有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、磁阻电机和步进电机等等。
常听到的伺服电机实际上是从控制角度去进行分类,通常利用旋转变压器或编码器实现角度测量,从而进行精确速度控制和位置控制。以上的电机均有可能作为伺服电机的执行器部分。
以上电机按照不同的特点应用于不同的场合。
电机伺服驱动学习笔记(1)-概述_第1张图片

2.电机在新能源汽车中应用

传统汽车三大件 发动机、变速箱、底盘、
电动汽车三大件 电池电机电控
2022年全球纯电动汽车销量达到780万辆,同比增长68%;中国新能源汽车产销量分别达到705.8万辆和688.7万辆,同比增长96.9%和93.4%,市场占有率达25.6%,新能源汽车产销量已连续8年位居全球第一。其中,纯电动汽车销量536.5万辆,同比增长81.6%。2022年,欧洲纯电动汽车销量同比上涨29%,至158万辆。德国、英国和法国的纯电动汽车市场渗透率分别达到18%、17%和14%。在欧洲最大的汽车市场德国,2022年电动汽车产量占新车产量的比例达到25%[1]。
有刷直流电机[2]
在电动汽车发展的早期,很多电动汽车都是采用直流电动机方案。主要是看中了直流电机的产品成熟,控制方式容易,调速优良的特点。但由于直流电动机本身的短板非常突出,其自身复杂的机械结构(电刷和机械换向器等),制约了它的瞬时过载能力和电机转速的进一步提高;而且在长时间工作的情况下,电机的机械结构会产生损耗,提高了维护成本。
交流异步电机[2]
交流异步电机是目前工业中应用十分广泛的一类电机,其特点是定、转子由硅钢片叠压而成,两端用铝盖封装,定、转子之间没有相互接触的机械部件,结构简单,运行可靠耐用,维修方便。由于有着效率高、比功率较大、适合于高速运转等优势,交流异步机是目前大功率电动汽车上应用最广的电机。
永磁式电动机[2]
永磁式电动机根据定子绕组的电流波形的不同可分为两种类型,一种是无刷直流电机,它具有矩形脉冲波电流;另一种是永磁同步电机,它具有正弦波电流。这两种电机在结构和工作原理上大体相同,转子都是永磁体,减少了励磁所带来的损耗,定子上安装有绕组通过交流电来产生转矩,所以冷却相对容易。由于这类电机不需要安装电刷和机械换向结构,工作时不会产生换向火花,运行安全可靠,维修方便,能量利用率较高。
在当前的新能源汽车行业中,交流异步电机(感应电机)和永磁同步电机占绝大多数,其中后者优势更为明显。
感应电机 特斯拉采用,结构简单、运行可靠耐用。缺点在于:虽然最高效率很高,但“高效率区间”不广,在特定车速下效率很好,一旦偏离最佳车速,效率影响严重[3]。
永磁同步电机 较大的转矩和驱动效率,具有高功率密度和宽调速范围。比亚迪、小鹏汽车、蔚来ES6、威马、哪吒、北汽新能源……由于我国稀土资源丰富,在永磁同步电机方面,我国具有成本优势。

3.电机在飞机中应用

3.1民航客机

电动机现在是输出轴功率的,它要作为航空推进设备,需要配用空气螺旋桨,这就决定了电动飞机的速度不会太高。也就是说,早已实现全喷气化的大型旅客运输机不会采用电机作为动力,因为其优势就是快。
然后呢,电机的功率-重量比非常可怕,可怕的小。 热机由于大小发动机参数差不多,在小功率的时候功重比小,大型化之后功重比会直线变大。特别是倒腾上了涡轮这种人类目前功率密度最大的动力机械之后,大型飞机动力目前只能是热机。非得举例子,一台ge90自重大概8.5吨,地面静止输出功率100MW.1MW电机多重?[4]
飞行器动力工程的同学是不是不用担心失业问题了?
虽然在民航客机的动力装置前景不明显,不过电机在新型客机执行器的占比正在增大。在最新的A380和B787上,首次在大型民航客机上实现通过电动起动机带动发动机,改变了以往通过引用地面高压气源或者通过辅助动力单元引气启动飞机发动机的模式,不仅发动机的启动更加便捷,还能左右两台发动机同时启动[5]。在新型民航客机的其他设备中,电能越来越多的代替液压能和气能成为执行装置的能量来源。

3.2 小型无人机

在该领域中,几乎清一色是无刷直流电机,实现了区别于其他电机的规格。永磁同步电机与无刷直流电机同属永磁式电机,二者相对于交流异步电机具有重量高的特点,相对于有刷直流电机又有维护简单的特点。永磁同步电机架电动势为正弦波而无刷直流电机为梯形波。因此,转矩脉动方面,前者性能更佳,但这显然不是小型无人机关注的性能,因此从性价比角度出发,无刷直流电机占据了主流。不过在部分要求较高的无人机应用场合,永磁同步电机也有出现。

参考文献

[1] 新能源汽车电机成本分析报告 - 成本工程师的文章 - 知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/610759126
[2] 浅析新能源汽车电机的几种类型 - 杭州威衡科技有限公司的文章 - 知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/632975535
[3] 销量前10的新能源汽车都在用啥电动机? - 每日车讯的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/400402208
[4] 首架电动飞机首飞成功 怎么样看待 电动航空时代的开始? - 目赤不动的回答 - 知乎https://www.zhihu.com/question/360662165/answer/2334415318
[5] 当飞机遇上电——多电飞机的优势与展望,兼谈F35战斗机的电源和热管理系统 (PTMS)系统 - 熊davidxtb的文章 - 知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/414259381
[6] 无人机无刷电机 - UAV-杂货君的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/655959033

你可能感兴趣的:(永磁同步电机伺服驱动器,课程设计)