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請問市售電動機車的馬達是永磁同步馬達PMSM嗎?

我對馬達一竅不通,全靠網路搜搜爬來拼湊的知識.有個疑問就是,如果捷運電聯車馬達控制是一代一代的在進步,為什麼2010年代市售電動機車的控制聲音和1970年代的直流DC馬達電車控制聲音是相同呢?

捷運系統電車運行加速0~40km時會產生3~4段與車速不同步上升的頻率聲,俗稱VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)音.有此特別的音頻是否就可判定它是使用交流感應馬達產生的獨特特色音?而使用GTO的VVVF音又與使用IGBT的VVVF音不同,請先看這兩組影片的聲音.


↑上面影片使用GTO閘關閘流體(Gate Turn - Off Switch ) VVVF的聲音會有5~6段變音.這種聲音和台北最早的捷運淡水線舊款以及台鐵EMU500電車相同.


↑上面影片使用IGBT閘極絕緣雙接面電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor) VVVF 的聲音約會有3段變音.這種聲音和台北後期通車的捷運線新車相同以及台鐵EMU600/700/800之後的電車相同.

↓來看一段和我們市面上能買到的電動車一樣的馬達聲音,1980年代之前台鐵第壹代EMU100型DC直流馬達的電車

↑那時IGBT還沒有發明.那年代的電車時速和音頻成等比上升,剛啟動音頻很低,越快越高,和2010年代的電動機車完全一樣,不會有VVVF所產生3~5段與馬達不同步的變頻音.(但是最新的文湖龐巴迪電車聲音和最舊的馬特拉又和這相同,沒有VVVF音.Why?) 這就是我的疑問了?為什麼電動機車還使用40年前的技術啊?

↓下面這段影片說明了40年來電車馬達的進步4部曲


↓下面這影片是2013年TT電動摩托車賽,聽起來是IGBT-VVVF音,也可能是最新的電聯車使用的內藏式永磁同步馬達PMSM(Permanent-Magnet Synchronous Motor)


我查到TOYOTA Prius HONDA Fusion等等所有的油電汽車,都是使用PMSM馬達,但都沒有VVVF音.那為什麼PMSM馬達的電聯車,卻都要使用VVVF控制呢? Youtube影片有一堆最新的VVVF-PMSM日本電聯車影片,VVVF-PMSM是2010年之後電車上才開始可見的技術,所以自我的問題{有VVVF音頻是否就是交流感應馬達的獨特特色音?}其實也破了,因為永磁同步馬達PMSM也有VVVF音.
我猜市售電動機車應該不是用PMSM,只是DC無刷直流馬達,那個控制器應該只是用霍爾感知器代替碳刷的控制器而已.那為什麼市售電動摩托車不採用PMSM+VVVF呢?

今年2014的F1賽車算是半台電動車,使用http://www.formula1.com/inside_f1/understanding_the_sport/8763.html能量回收系統.版上神人那麼多,想想F1在每圈1分半左右的時間,如何回收33秒的電給160匹馬力馬達使用,真是太神奇了!我猜測有裝超級電容!有看到轉播請看一看吧!

TOYATA的電動賽車在紐柏林北賽道,PlayStation GT熟悉的賽道.


TT電動摩托車賽應該是用這個馬達?為什麼改變線圈位置會改變轉速?



2014-02-20 19:36 發佈
好專業... 您真的一竅不通嗎? 您的問題只有請S教授回答了...
這個問題讓我想到一個外國人的作品
midi scooter

和切換頻率有關

Nanako0625 wrote:
我對馬達一竅不通,全...(恕刪)



Nanako 不是站務嗎?

01官方開始關心電動車了?
文學 葡萄酒 電影
很簡單的問題,就是成本考量。
以市售電動機車來說,以同功率的馬達來比較,若使用PM馬達搭配專用的驅動器,成本會是DC馬達的好幾倍,幾乎佔了所有成本的一半,即使現在很多台灣廠商也都開發出了台製的PM馬達,如晟昌、泓智等,要價格普及看來也還有一段時間,除非大家可以接受更高的價格~
另一個原因也是因為一直以來電動車的瓶頸是在於電池的續行力,直到最近有的鋰電池相關技術才實現低體積高容量的可能性,相對於PM馬達,電池技術才是當前力需克服的問題,而使用PM或伺服馬達只是遲早的事,技術上都沒問題,只剩價格~

dreamhouse wrote:
Nanako 不是站務嗎?

01官方開始關心電動車了?


如果女生的NaNaKo有這麼專業我真的會嚇一跳.......


應該是菜々子的老公啦!!真的好強..
https://medium.com/@ln1202
無刷馬達發出聲音的地方我知道只有3個

1.轉子摩擦發出的聲音,所以有些沒潤滑油的舊馬達特別吵。有刷馬達的電刷摩擦也會發出聲音

2.馬達內空氣攪動的聲音

3.當電流通過馬達時,依照頻率不同,馬達內的線圈(電感)會震動,通常聽到的聲音都是從這來的
有些電源供應器也會發出類似的聲音,因為裡面變壓器的線圈在震動是一樣的原理

一般變頻器打出的訊號實際上應該是這樣,下圖第2-4個波形

有些變頻器不裝濾波器,直接將這個訊號打進馬達(馬達本身也會濾波)


經過濾波器後才會變成比較像正弦波的正弦波


(圖片取自網路)

VVVF變頻技術常用在電聯車的主動力源"三相交流感應式(AC)電動機". AC馬達耐操故障機率少,但AC馬達的控速非常困難, 拜半導體工業功率元件的發展所賜, 現在可以用MCU+DSP+IGBT driver來產生可變頻AC去驅動AC感應馬達. 請見此處說明

VVVF驅動器會發出不同的聲音, 主要是驅動器的PWM開關頻率所影響. 早期的IGBT速度不夠快, 所以PWM頻率會落入音頻中, 像台北捷運的車輛啟動時就會發出[中---高---低]三段式的頻率.更進步的台灣高鐵700T列車幾乎很難聽見PWM開關聲, 而且變頻也變成無段而不是簡單分成三段.

GTO通常是用在直流馬達調速, 在日本因為同時有直流與交流路線, 所以幾乎都是將交流整流成為直流之後再使用, 可以增加車輛行駛區間. 但是因為效能比VVVF AC馬達差, 所以新車種多半也改成VVVF AC馬達了.


至於電動機車與汽車多半是用永磁式直流無刷馬達, 為何不使用AC感應馬達相信有高人比我更了解, 在此就不獻醜了.
wavio55 wrote:
PMSM馬達

2011年之後新式電車已經採用PMSM永磁同步馬達,日本已經有好幾款新電車用PMSM上線了,並且輸出到新加坡,您說的AC交流感應馬達被淘汰囉.請看原貼的{電車馬達進步4步曲}的影片,他講到第4代說:[直流馬達又回來了!]
PMSM用在所有的油電混合的汽車上.但是沒有VVVF音,而我去看日本新的PMSM電車影片,有VVVF音.因此,無法由VVVF音來判斷是否是AC交流感應馬達或是PMSM 永磁同步馬達.
下是爬文:
BLDC ( 無刷直流馬達 )之所以稱無刷直流馬達,是因為 BLDC 無須透過電刷進行電流換相,且馬達特性與 DC Motor ( 有刷直流馬達 )相同
PMSM ( 永磁同步馬達 )與 BLDC 構 造 相 似 , 差 異 僅 在 於 定 子 繞 組 不同, PMSM 的定子繞組方式使馬達的反電動勢 ( 感應電動勢 ) 為弦波電壓, BLDC 則為方波電壓。PMSM 因為感應電動勢為弦波,並不適合單純的電流正負換相驅動,需要利用脈衝寬度調變技術 (PWM) 去產生弦波電流,因此控制上較 BLDC 複雜許多。PMSM 與 BLDC 本質上是相同的馬達,實際應用上常因為性能上的需求,設計各種介於弦波與方波間的反電動勢馬達,而驅動電流的控制,也常常不一定就是標準的方波或弦波。隨著微處理器與電子技術的進步, BLDC 為求降低轉矩漣波與進行精密控制,也越來越朝 PMSM 發展,使得兩者間的分界也越來越模糊。

另外krado的圖我只看懂一點點,不過大概知道用晶體開關時間長度來輸出近似弦波的電壓,弦波峰值處就導通久一點,低值處就導通短一點時間...不是學電機的..很難懂.

Nanako0625 wrote:
2011年之後新式電...(恕刪)


N大您好,感謝為我們電動車愛好者提供這交流的平台,下次回台灣時一起喝杯咖啡吧~

關於VVVF~ 這只是一種斬頻技術,與馬達沒關。

ACIM = 感應馬達,由Tesla發明的,目前Tesla電動車就是用這技術,區區25Kg的馬達可以達到300匹馬的動力,能量/重量比是非常嚇人的。 ACIM雖然技術與原理與100多年前一樣,但是材料與加工技術不斷的提升,能量/容積比也是不斷的一值下降。

PMSM = 永磁馬達,原理是像是電磁鐵一樣,一個推一個拉,推到了極點後,電流換相,剛剛推的變成拉,拉的變成推,這樣繞圈圈讓馬達轉起來。 並沒有所謂感應的問題。

至於為什麼ACIM會有"聲音",而PMSM幾乎沒有,因為ACIM是用感應(與變壓器的想法很像)的方式來對轉子激磁,轉子的速度還很慢,所需要打入的弦波(一般家庭用電是60Hz,或是3600RPM電氣轉)電氣角轉速很低,人類的耳朵一般只能聽到約在20Hz至20,000Hz,頻率越低就越聽的到。

早期的控制器,因為技術有限,並沒有使用失量控制,反而是用所謂的可變電壓或是可變頻率方式去控制,可變電壓的意思就是說,給一顆同樣的馬達固定60Hz,但是110V與220V的AC電,雖然轉速應該一樣,但因扭力不一樣,而造成輸出轉速不一樣,所以有附載的時候,可以用比較低的電壓,比較高的電流取得更多的扭力,但同時又不會因為總功率過高而燒馬達。 速度快的時候,再用比較高的電壓,去提高轉速。 這就是所謂的VV

而VF是用頻率的方式去控制,同樣220V但是看馬達的轉速,如果馬達轉10RPM,那用12RPM的電氣轉速去轉動馬達,因為失步少,所以同樣可以取得比較大的扭力。

VVVF就是把上面兩種方式同樣使用,這就是為什麼我們會聽到馬達的聲音。

但~ 以上技術全部都是70年代的技術與產品(大家就可知我常說台灣馬達業技術落後的起源),目前Y2K以後的技術都是以Vector為基礎,都是以最佳效率驅動方式去看馬達位置與轉速,基本上VVVF vs FOC,效率可以差10~20%之多。 新型控制理論有FOC, DTC, SVC...etc.

PMSM vs ACIM 到底哪個好? 目前還很難說,如果材料技術繼續進步的話,我認為ACIM會勝出,但目前因為成本(材料與加工費用)為考量的話,還是PMSM比較便宜。
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