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汽车直流无刷水泵

日期: 2018-01-29
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汽车直流无刷水泵


(一)直流无刷汽车水泵的发展

直流无刷水泵是随着直流无刷电动机的发展而发展起来的水泵行业一个新亮点;直流无刷水泵的动力是直流无刷电机,直流无刷电机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点,故在当今国民经济各领域应用日益普及。

一个多世纪以来,电动机作为机电能量转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向,因而存在相对的机械摩擦,由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而大大限制了它的应用范围,致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

针对上述传统直流电动机的弊病,早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力,直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪70年代以来,随着电力电子工业的飞速发展,许多高性能半导体功率器件,如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现,以及高性能永磁材料的问世,均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础——也为直流无刷水泵的产生创造了条;

(二)直流无刷水泵有什么特点

   优点:

  1)电子换相来代替传统的机械换相,性能可靠、永无磨损(无电火花产生)、故障率低,寿命比有刷电机提高了很多倍(一般可连续工作20000小时以上;无刷电机使用寿命,是有刷电机寿命30--40倍)无刷直流水泵代表了直流水泵的发展方向 

  2)属静态电机,空载电流小

  3)效率高 

       4)体积小,维护保修方便

       5)节能环保,无污染

       6)噪音小 

       7)耐温性好,生产工艺简单

  缺点: 

  1) 低速起动时有轻微振动,如速度加大换相频率增大,就感觉不到振动现象了; 

  2) 价格高,控制器要求高; 

  3) 易形成共振,因为任何一件东西都有一个固有振动频率,如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象,但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。 

(三)直流有刷水泵有什么优缺点

  优点: 

  1) 变速平稳,几乎感觉不到振动; 

  2) 温升低,可靠性好; 

  3) 价格低,所以被较多厂家选用。 

  缺点: 

  1) 碳刷易磨损(有电火花产生和碳刷粉尘污染),碳刷更换较为麻烦,寿命短(一般连续运行在500-1000小时); 

       2) 运行电流大,电机磁钢易退磁,降低了电机与电池的作用寿命

       3)  不环保(碳刷粉尘污染),有电火花产生,有闪络

(四)汽车直流无刷水泵水泵工作结构 

 (一)水泵的分类

  根据驱动方式的不同,水泵一般分为机械水泵和电动水泵;电动水泵条又分为有刷电动水泵和无刷电动水泵;目前大多数发动机采用机械水泵,在一些新开发的技术含量较高的发动机上已经使用了电动水泵——有刷电动水泵,例如宝马6系(E63)搭载的发动机。

  (1)机械水泵 机械水泵由发动机曲轴通过传动胶带驱动,它的转速和发动机的转速成正比。机械水泵的工作方式有优点也有缺点。当发动机在高速大负荷工况下工作时,发动机产生的热量多,水泵的高转速使冷却液的循环流量增大,这样正好能够提高发动机的冷却能力;当发动机在低速大负荷工况下工作时,例如牵引其他车辆或开空调,此时发动机的转速低导致水泵的转速也低,这样就降低了发动机的冷却能力。

  (2)电动水泵;电动水泵又无刷电动水泵和有刷电动水泵之分;电动水泵由发动机控制单元通过电流控制,它不受当时发动机转速的影响,可以根据发动机的实际冷却需要灵活工作。由于电动水泵消耗的发动机功率非常少,因此采用电动水泵后,发动机的燃油消耗量可以有所降低;特别是新一代的直流无刷电动水泵出现为汽车及新能源汽车的发展和性能的提高注入新的元素。

(二)水泵的结构

1. 无刷直流汽车水泵的结构

汽车上使用的水泵比一般水泵在结构和性能要求比较高;汽车水泵的工作环境比较差,要做到能防振,防潮,耐热,特别对于新能源电动汽车水泵的稳定性,可靠性都有更高的要求外,还要考滤水泵的环保节能;

无直流刷水泵的磁铁与叶轮注塑成一体组成电机的磁转子,转子中间有直接注塑成型的轴套,轴套是高耐磨性能石墨固定在转子体中,电机的定子与电路板部分采用环氧树脂胶灌封于泵体中,定子与转子之间是一个空腔,水泵泵体腔与电机转子腔连通,电机转子腔与电机定子及电机控制完全隔离,转轴是用高光洁度,又有高强度的氧化锆精加工而成,轴将电机与泵体连成一体,采用无腔真空灌流式一体化工艺流程生产制作, 所以无需配以传统的机械轴封,不需要轴润滑油,因而是完全密封而又可防漏。

电机的扭力是通过矽钢片(定子)上的线圈通电后产生磁场带动永磁磁铁(转子)工作运转。对磁体进行n (n为偶数) 级充磁使磁体部分相互组成完整藕合的磁力系统。当定子线圈产生的磁极与磁铁的磁极处于异极相对,即两个磁极间的位移角Φ=0,此时磁系统的磁能最低;当磁极转动到同极相对,即两个磁极间的位移角Φ=2π/n,此时磁系统的磁能最大。去掉外力后,由于磁系统的磁极相互排斥,磁力将使磁体恢复到磁能最低的状态。于是磁体产生运动,带动磁转子旋转;直流无刷水泵叶轮的驱动力是直流无刷电机。

直流无刷水泵通过电子换向,无需使用碳刷,磁体转子和定子矽钢片都有多级磁场,当磁体转子相对定子旋转一个角度后会自动改变磁极方向,使转子始终保持同级排斥,从而使无刷直流磁力隔离泵有较高的转速和效率,

直流无刷汽车水泵的定子与转子完全隔离,完全避免了传统的电机式直流无刷水泵存在的液体泄漏问题。而且可以完全潜水使用并且完全防水,有效的提高了泵的使用寿命及性能,所以直流无刷水泵不需要水泵轴承,也不用用润滑脂润滑,也没有密封垫和油封,减小了机械磨损,降低了功耗,提高了工作寿命。

2.有刷直流汽车水泵

     有刷直流汽车水泵,支撑水泵轴的轴承用润滑脂润滑,因此要防止冷却液泄漏到润滑脂造成润滑脂乳化,同时还要防止冷却液的泄漏。水泵防止泄漏的密封措施有水封和密封垫。水封动密封环与轴通过过盈配合装在叶轮与轴承之间,水封静密封座紧紧的靠在水泵的壳体上,从而达到密封冷却液的目的。 

有刷直流离心水泵的磁铁与叶轮注塑成一体组成电机的转子,转子中间有直接注塑成型的轴套,通过高性能陶瓷轴固定在壳体中,电机的定子与电路板部分采用环氧树脂胶灌封于泵体中,定子与转子之间有一层薄壁隔离,无需配以传统的机械轴封,因而是完全密封。电机的扭力是通过矽钢片(定子)上的线圈通电后产生磁场带动永磁磁铁(转子)工作运转。其电磁工作原理与无刷水泵电机是一样的。总而言之:无刷水泵电电子换相;有刷水泵电机是机械换相;有刷水泵叶轮的驱动力是有刷电机。

三;汽车直流无刷水泵工作原理

汽车直流无刷水泵工作的最终目的是把汽车上受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下正常工作。接通电源水泵运转工作带动叶轮转动,水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转,在离心力的作用下被甩向水泵壳体的边缘,同时产生一定的压力,然后从出水道或水管流出。叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力降低,水箱中的冷却液在水泵进口与叶轮中心的压差作用下经水管被吸入叶轮中,实现冷却液的往复循环。 

  有刷水泵,支撑有刷水泵轴的轴承要用润滑脂润滑,因此要防止冷却液泄漏到润滑脂造成润滑脂乳化,同时还要防止冷却液的泄漏。水泵防止泄漏的密封措施有水封和密封垫。水封对密封环与轴通过过盈配合装在叶轮与轴承之间,水封静密封座紧紧的靠在水泵的壳体上,从而达到密封冷却液的目的。 

水泵壳体通过密封垫与发动机相连,并支撑着轴承等运动部件。水泵壳体上还有泄水孔,位于水封与轴承之间。一旦有冷却液漏过水封,可从泄水孔泄出,已防止冷却液进入轴承腔,而破坏轴承润滑及部件锈蚀。如果发动机停止后仍有冷却液漏出,则表明水封已经损坏;

而无刷水泵,由于设计结构及生产工艺不同;无碳刷磨损,水泵泵体与电机为一整体,所以就不存在以上的密封和防漏的情况。 

1 汽车直流无刷水泵的驱动

  汽车直流无刷水泵叶轮的转动的动力是直流无刷电动机,直流无刷电动机是直流无刷水泵的动力核心,直流无刷水泵,是以直流无刷电机为动力,从而实现将机械能转化为液压能;水泵是发动机冷却系统的重要部件,它的作用是泵送冷却液,使冷却液在发动机的冷却水道内快速流动,以带走发动机工作时产生的热量,保持发动机正常工作温度。

叶轮是水泵工作的核心,叶轮本身的运动很简单,只是和磁转子一起旋转。但由于叶片的作用,叶轮中液体的运动是很复杂的;一方面随叶轮旋转作牵连运动,一方面在叶片的驱驶下不断地从旋转着的叶轮中甩出,即相对叶轮的运动。因此叶轮的外径大小,叶轮叶片的高低及角度,以及与水泵壳体的间隙,直接影响着水泵的性能,汽车水泵 主要是汽车冷却系统强制循环的主要部件,在汽车发动机的缸体里,有条多供冷却水循环的水道,与置于汽车前部的散热器(俗称水箱)通过水管相连接,构成一个大的水循环系统,在发动机的上出水口,装有一个水泵,通过风扇皮带来带动,把发动机缸体水道内的热水泵出,把冷水泵入。在水泵的旁边还有一个节温器,汽车刚发动时(冷车)时,不打开,使冷却水不经过水箱,只在发动机内循环(俗称小循环),待发动机的温度达到80度以上时,就打开,发动机内的热水被泵入水箱,汽车前行时的冷风吹过水箱,带走热量,大致上是这样工作的。

四 汽车冷却系的工作原理

 一、冷却系的功用:

    当今汽车水循环冷却系统主要还是使用机械水泵和直流有刷水泵;水泵是推动水循环,把受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。

二、冷却系的形式:

  冷却系统按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷。

  风冷系统是把发动机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置。

  水冷系统是把这些热量先传给冷却水,然后再散入大气而进行冷却的装置。

  由于水冷系统冷却均匀,效果好,而且发动机运转噪音小,目前汽车发动机上广泛采用的是水泵水冷循环系。

  发动机正常工作时,水冷却系中的冷却水温度应保持在80度~90度范围内。

三、水冷却系组成及工作过程:

  1、水冷系大都是由散热器、水泵、风扇、冷却水套和温度调节装置等组成。(如下图所示)

  2、冷却液的走向(如下表)

       3、工作过程:水泵强制冷却水循环,冷却水在水套内吸收热量后,流经散热器,将热量散发到空气中,然后再流入水套。如此循环,以保证发动机在最佳温度下工作。水冷却系的组成如右图所示。   

汽车直流无刷水泵 

四、水冷却系的主要部件

1、水泵(以有刷水泵为例)

  1)功用:是对冷却水加压,使冷却水循环流动。车用发动机多采用离心式水泵。

  2)安装位置:水泵用螺栓固定在发动机前端面上。通过皮带与曲轴带轮相连。

  3)组成: 主要由泵壳、泵盖、叶轮、水泵轴、轴承、油封等组成。

  工作过程:当叶轮旋转时,水泵中的水被叶轮带动一起旋转,在离心力作用下,水被甩向叶轮边缘,然后经外壳上与叶轮成切线方向的出水管压送到发动机水套内。与此同时,叶轮中心处的压力降低,散热器中的水便经进水管被吸进叶轮中心部分。如此连续的作用,使冷却水在水路中不断地循环。

2、风扇

  1)功用 提高通过散热器芯的空气流速,增加散热效果,加速水的冷却。

  2)安装位置:通常安排在散热器后面,并与水泵同轴。与水泵一起转动。

  3)形式 车用发动机的风扇有两种形式,轴流式和离心式。

   轴流式风扇所产生的风,其流向与风扇轴平行;离心式风扇所产生的风,其流向为径向。轴流式风扇效率高,风量大,结构简单,布置方便。因而在车用发动机上得到了广泛的应用。 

汽车直流无刷水泵

3、散热器

  1)功用 增大散热面积,加速水的冷却。为了将散热器传出的热量尽快带走在散热器后面装有风扇与散热器配合工作。

  2)安装位置 大多安装在发动机及风扇的前方。

  3)结构 散热器又称为水箱,由上贮水室、散热器芯和下贮水室等组成。

  散热器上贮水室顶部有加水口,平时用散热器盖盖住,冷却水即由此注入整个冷却系。在上、下贮水室分别装有进水管和出水管,分别用橡胶软管和气缸盖的出水管和水泵的进水管相连。由发动机气缸盖上出水管流出的温度较高的热水经过进水软管进入上贮水室,经冷却管得到冷却后流入下贮水室,由出水管流出被吸入水泵。在散热器下贮水室的出水管上还有一个放水阀。

散热器芯由许多冷却水管和散热片组成,对于散热器芯应该有尽可能大的散热面积,采用散热片是为了增加散热器芯的散热面积。散热器芯的构造形式有多样,常用的有管片式和管带式两种。

汽车直流无刷水泵

4、节温器

  1)功用 改变冷却水的循环路线及流量,自动调节冷却强度,使冷却水温度经常保持在80度~90度。

  2)安装位置 装在冷却水循环的通路中,一般装在气缸盖的出水口。

  3)形式 分为蜡式和折叠式

  蜡式节温器 在橡胶管和感应体之间的空间里装有石蜡,为提高导热性,石蜡中常掺有铜粉或铝粉。常温时,石蜡呈固态,阀门压在阀座上。这时阀门关闭通往散热器的水路,来自发动机缸盖出水口的冷却水,经水泵又流回气缸体水套中,进行小循环。当发动机水温升高时,石蜡逐渐变成液态,体积随之增大,迫使橡胶管收缩,从而对反推杆上端头产生向上的推力。由于反推杆上端固定,故反推杆对橡胶管、感应体产生向下反推力,阀门开启,当发动机水温达到80℃以上时,阀门全开,来自气缸盖出水口的冷却水流向散热器,而进行大循环。

  一汽奥迪100型轿车和CA1091型货车均采用蜡式节温器。

  折叠式节温器 由具有弹性的、折叠式的密闭圆筒(用黄铜制成),内装有易于挥发的乙醚。主阀门和侧阀门随膨胀筒上端一起上下移动。膨胀筒内液体的蒸气压力随着周围温度的变化而变化,故圆筒高度也随温度而变化。当发动机在正常热状态下工作时,即水温高于80℃,冷却水应全部流经散热器,形成大循环。此时节温器的主阀门完全开启,而侧阀门将旁通孔完全关闭;当冷却水温低于70℃时,膨胀筒内的蒸汽压力很小,使圆筒收缩到最小高度。主阀门压在阀座上,即主阀门关闭,同时侧阀门打开,此时切断了由发动机水套通向散热器的水路,水套内的水只能由旁通孔流出经旁通管进入水泵,又被水泵压入发动机水套,此时冷却水并不流经散热器,只在水套与水泵之间进行小循环,从而防止发动机过冷,并使发动机迅速而均匀地热起来;当发动机的冷却水温在70~80℃范围内,主阀门和侧阀门处于半开闭状态,此时一部分水进行大循环,而另一部分水进行小循环。

  4)工作原理 当冷却水温度低于76度时,节温器主阀门关闭,副阀门开启冷却水在水泵与水套之间小范围内循环,促使水温迅速上升。当水温高于86度时,节温器主阀门全开,副阀门全关,冷却水全部流经散热器进行水的大循环,使发动机保持正常工作温度。

五.直流无刷电动机工作原理与控制方法

序言

  由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点,故在当今国民经济各领域应用日益普及。

  一个多世纪以来,电动机作为机电能量转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向,因而存在相对的机械摩擦,由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而大大限制了它的应用范围,致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

  针对上述传统直流电动机的弊病,早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力,直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪70年代以来,随着电力电子工业的飞速发展,许多高性能半导体功率器件,如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现,以及高性能永磁材料的问世,均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

三相直流无刷电动机的基本组成

  直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,…)组成。图1所示为三相两极直流无刷电机结构,

汽车直流无刷水泵

图1 三相两极直流无刷电机组成

  三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结,A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。

  当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号,去控制电子开关线路,从而使定子各项绕组按一定次序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换向器的换向作用。

  图2为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器,以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。

 汽车直流无刷水泵

图2 三相直流无刷电动机

  三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装位置各相差120度,均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用,使从光源射来的光线一次照射在各个光电器件上,并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。

 汽车直流无刷水泵

图3 开关顺序及定子磁场旋转示意图

  图2所示的转子位置和图3 a)所示的位置相对应。由于此时广电器件VP1被光照射,从而使功率晶体V1呈导通状态,电流流入绕组A-A’,该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图3中箭头方向转动。当转子磁极转到图3 b)所示的位置时,直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动,并遮住VP1而使VP2受光照射,从而使晶体管V1截至,晶体管V2导通,电流从绕组A-A’断开而流入绕组B-B’,使得转子磁极继续朝箭头方向转动。当转子磁极转到图3 c)所示的位置时,此时旋转遮光板已经遮住VP2,使VP3被光照射,导致晶体管V2截至、晶体管V3导通,因而电流流入绕组C-C’,于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图3 a)的位置。

  这样,随着位置传感器转子扇形片的转动,定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3的控制下,便一相一相地依次馈电,实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中,定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360度电角度范围内有三种磁状态,每种磁状态持续120度电角度。各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图3所示。图3a)为第一种状态,Fa为绕组A-A’通电后所产生的磁动势。显然,绕组电流与转子磁场的相互作用,使转子沿顺时针方向旋转;转过120度电角度后,便进入第二状态,这时绕组A-A’断电,而B-B’随之通电,即定子绕组所产生的磁场转过了120度,如图3 b)所示,电动机定子继续沿顺时针方向旋转;再转120度电角度,便进入第三状态,这时绕组B-B’断电,C-C’通电,定子绕组所产生的磁场又转过了120度电角度,如图3 c)所示;它继续驱动转子沿顺时针方向转过120度电角度后就恢复到初始状态。图4示出了各相绕组的导通顺序的示意图。

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图4 各相绕组的导通示意图

位置传感器

  位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用,为逻辑开关电路提供正确的换相信息,即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号,然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多,且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种:电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器。

  电磁式位置传感器在直流无刷电动机中,用得较多的是开口变压器。用于三相直流无刷电动机的开口变压器由定子和跟踪转子两部分组成。定子一般有六个极,它们之间的间隔分别为60度,其中三个极上绕一次绕组,并相互串联后通以高频电源,另外三个极分别绕上二次绕组WA、WB、WC。它们之间分别相隔120度。跟踪转子是一个用非导磁材料做成的圆柱体,并在它上面镶一块120度的扇形导磁材料。在安装时将它与电动机转轴相联,其位置对应于某一磁极。一次绕组所产生的高频磁通通过跟踪转子上的到此材料耦合到二次绕组上,故在二次绕组上产生感应电压,而另外两相二次绕组由于无耦合回路同一次绕组相联,其感应电压基本为零。随着电动机转子的转动,扇形片也跟着旋转,使之离开当前耦合一次绕组而向下一个一次绕组靠近。就这样,随着电动机转子运动,在开口变压器二次绕组上分别感应出电压。扇形导磁片的角度一般略大于120度电角度,常采用130度电角度左右。在三相全控电路中,为了换相译码器的需要,扇形导磁片的角度为180度电角度。同时,扇形导磁片的个数应同直流无刷电动机的极对数相等。

  接近开关式位置传感器主要由谐振电路及扇形金属转子两部分组成,当扇形金属转子接近震 荡回路电感L时,使该电路的Q值下降,导致电路正反馈不足而停振,故输出为零。扇形金属转子离开电感元件L时,电路的Q值开始上升,电路又重新起振,输出高频调制信号,经二极管检波后,取出有用控制信号,去控制逻辑开关电路,以保证电动机正确换向。

  光电式位置传感器前面已经讲过,是利用光电效应制成的,由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。

  磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻


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