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電動汽車常用的四種驅動電機詳解

放大字體??縮小字體 發布日期:2018-03-23?
 電動汽車主要是由電機驅動系統、電池系統和整車控制系統三部分構成,其中的電機驅動系統是直接將電能轉換為機械能的部分,決定了電動汽車的性能指標。因此,對于驅動電機的選擇就尤為重要。

在環保的大環境下,電動汽車也成為了近年來研究的熱點,電動汽車在城市交通中可以實現零排放或極低排放,在環保領域優勢巨大,各國都在努力發展電動汽車。電動汽車主要是由電機驅動系統、電池系統和整車控制系統三部分構成,其中的電機驅動系統是直接將電能轉換為機械能的部分,決定了電動汽車的性能指標。因此,對于驅動電機的選擇就尤為重要。

1、電動汽車對于驅動電機的要求

目前對于電動汽車性能的評定,主要是考慮以下三個性能指標:

(1)最大行駛里程(km):電動汽車在電池充滿電后的最大行駛里程;

(2)加速能力(s):電動汽車從靜止加速到一定的時速所需要的最小時間;

(3)最高時速(km/h):電動汽車所能達到的最高時速。

針對于電動汽車的驅動特點所設計的電機,相比于工業用電機有著特殊的性能要求:

(1)電動汽車驅動電機通常要求可以頻繁的啟動/停車、加速/減速、轉矩控制的動態性能要求較高;

(2)為了減少整車的重量,通常取消多級變速器,這就要求在低速或爬坡時,電機可以提供較高的轉矩,通常來說要能夠承受4-5倍的過載;

(3)要求調速范圍盡量大,同時在整個調速范圍內還需要保持較高的運行效率;

(4)電機設計時盡量設計為高額定轉速,同時盡量采用鋁合金外殼,高速電機體積小,有利于減少電動汽車的重量;

(5)電動汽車應具有最優化的能量利用,具有制動能量回收功能,再生制動回收的能量一般要達到總能量的10%-20%;

(6)電動汽車所使用的電機工作環境更加復雜、惡劣,要求電機在有著很好的可靠性和環境適應性,同時還要保證電機生產的成本不能過高。

2、幾種常用的驅動電機

2.1直流電動機

在電動汽車發展的早期,大部分的電動汽車都采用直流電動機作為驅動電機,這類電機技術較為成熟,有著控制方式容易,調速優良的特點,曾經在調速電動機領域內有著最為廣泛的應用。但是由于直流電動機有著復雜的機械結構,例如:電刷和機械換向器等,導致它的瞬時過載能力和電機轉速的進一步提高受到限制,而且在長時間工作的情況下,電機的機械結構會產生損耗,提高了維護成本。此外,電動機運轉時電刷冒出的火花使轉子發熱,浪費能量,散熱困難,也會造成高頻電磁干擾,影響整車性能。由于直流電動機有著以上缺點,目前的電動汽車已經基本將直流電機淘汰。

2.2交流異步電動機

交流異步電機是目前工業中應用十分廣泛的一類電機,其特點是定、轉子由硅鋼片疊壓而成,兩端用鋁蓋封裝,定、轉子之間沒有相互接觸的機械部件,結構簡單,運行可靠耐用,維修方便。交流異步電機與同功率的直流電動機相比效率更高,質量約輕了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式,可以獲得與直流電機相媲美的可控性和更寬的調速范圍。由于有著效率高、比功率較大、適合于高速運轉等優勢,交流異步機是目前大功率電動汽車上應用最廣的電機。目前,交流異步電機已經大規模化生產,有著各種類型的成熟產品可以選擇。但在高速運轉的情況下電機的轉子發熱嚴重,工作時要保證電機冷卻,同時異步電機的驅動、控制系統很復雜,電機本體的成本也偏高,相比較于永磁式電動機和開關磁阻電機而言,異步電機的效率和功率密度偏低,對于提高電動汽車的最大行駛里程不利。

2.3永磁式電動機

永磁式電動機根據定子繞組的電流波形的不同可分為兩種類型,一種是無刷直流電機,它具有矩形脈沖波電流;另一種是永磁同步電機,它具有正弦波電流。這兩種電機在結構和工作原理上大體相同,轉子都是永磁體,減少了勵磁所帶來的損耗,定子上安裝有繞組通過交流電來產生轉矩,所以冷卻相對容易。由于這類電機不需要安裝電刷和機械換向結構,工作時不會產生換向火花,運行安全可靠,維修方便,能量利用率較高。

永磁式電動機的控制系統相比于交流異步電機的控制系統來說更加簡單。但是由于受到永磁材料工藝的限制,使得永磁式電動機的功率范圍較小,一般最大功率只有幾十千萬,這是永磁電機最大的缺點。同時,轉子上的永磁材料在高溫、震動和過流的條件下,會產生磁性衰退的現象,所以在相對復雜的工作條件下,永磁式電機容易發生損壞。而且永磁材料價格較高,因此整個電機及其控制系統成本較高。

2.4開關磁阻電機

開關磁阻電機作為一種新型電機,相比其他類型的驅動電機而言,開關磁阻電機的結構最為簡單,定、轉子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結構,轉子上沒有繞組,定子裝有簡單的集中繞組,具有結構簡單堅固、可靠性高、質量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優點。而且它具有直流調速系統的可控性好的優良特性,同時適用于惡劣環境,非常適合作為電動汽車的驅動電機使用。

考慮到作為電動汽車驅動電機使用,直流電機和永磁式電機在結構和面對復雜的工作環境適應性太差,很容易發生機械和退磁的故障,所以本文著重介紹開關磁阻電機與交流異步機相比,有著以下方面的明顯優勢。

2.4.1電機本體結構方面

開關磁阻電機的結構比鼠籠式感應電機更簡單,其突出的優點是轉子上沒有繞組,僅僅是由普通硅鋼片疊壓而成。整個電機的損耗大部分集中于定子繞組上,這使得電機制造簡單,絕緣性好,容易冷卻,有著優秀的散熱特性,這種電機結構能減小電機體積和重量,可以用很小的體積取得較大的輸出功率。由于電機轉子機械彈性好,所以開關磁阻電機可以用于超高速運行。

2.4.2電機驅動電路方面

開關磁阻電機驅動系統的相電流是單向的,同時與轉矩方向無關,可以只用一個主開關器件來滿足電機的四象限運行狀態。功率變換器電路與電機的勵磁繞組直接串聯,各相電路獨立供電,即使電機的某相繞組或者控制器發生故障,只需使該相停止工作即可,不會造成更大的影響。所以,無論電機本體還是功率變換器都十分安全可靠,所以比異步機更適合用于惡劣環境。

2.4.3電機系統性能方面

開關磁阻電機的控制參數多,很容易通過適當的控制策略和系統設計滿足電動汽車的四象限運行的要求,并且在高速運行區域也能保持優秀的制動能力。開關磁阻電機不僅效率高,而且在很寬的調速范圍內都可以保持高效率,這是其他類型的電機驅動系統難以媲美的。這種性能十分適合應用于電動汽車的運行情況,非常有利于提高電動汽車的續行里程。

3、結語

本文重點是通過比較各類常用的驅動電機調速系統,提出開關磁阻電機作為電動汽車驅動電機的優越性,是目前電動汽車發展中的研究熱點。對于這類特種電機,在實際應用中還有很大的發展空間,需要研究人員更加努力的進行理論研究,同時需要結合市場的需求,推動這類電機在實際中的應用。

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