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電動汽車常用的四種驅(qū)動電機詳解
2022-06-20

電動汽車主要是由電機驅(qū)動系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中的電機驅(qū)動系統(tǒng)是直接將電能轉(zhuǎn)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(qū)動電機的選擇就尤為重要。 在環(huán)保的大環(huán)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(xiàn)零排放或極低排放，在環(huán)保領(lǐng)域優(yōu)勢巨大，各國都在努力發(fā)展電動汽車。電動汽車主要是由電機驅(qū)動系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中的電機驅(qū)動系統(tǒng)是直接將電能轉(zhuǎn)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(qū)動電機的選擇就尤為重要。 1、電動汽車對于驅(qū)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(qū)動特點所設(shè)計的電機，相比于工業(yè)用電機有著特殊的性能要求： (1)電動汽車驅(qū)動電機通常要求可以頻繁的啟動/停車、加速/減速、轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)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(zhuǎn)矩，通常來說要能夠承受4-5倍的過載； (3)要求調(diào)速范圍盡量大，同時在整個調(diào)速范圍內(nèi)還需要保持較高的運行效率； (4)電機設(shè)計時盡量設(shè)計為高額定轉(zhuǎn)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(yīng)具有最優(yōu)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(huán)境更加復(fù)雜、惡劣，要求電機在有著很好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，同時還要保證電機生產(chǎn)的成本不能過高。 2、幾種常用的驅(qū)動電機 2.1直流電動機 在電動汽車發(fā)展的早期，大部分的電動汽車都采用直流電動機作為驅(qū)動電機，這類電機技術(shù)較為成熟，有著控制方式容易，調(diào)速優(yōu)良的特點，曾經(jīng)在調(diào)速電動機領(lǐng)域內(nèi)有著最為廣泛的應(yīng)用。但是由于直流電動機有著復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，例如：電刷和機械換向器等，導(dǎo)致它的瞬時過載能力和電機轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)會產(chǎn)生損耗，提高了維護成本。此外，電動機運轉(zhuǎn)時電刷冒出的火花使轉(zhuǎn)子發(fā)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(jīng)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(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一類電機，其特點是定、轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，兩端用鋁蓋封裝，定、轉(zhuǎn)子之間沒有相互接觸的機械部件，結(jié)構(gòu)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(zhì)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(diào)速范圍。由于有著效率高、比功率較大、適合于高速運轉(zhuǎn)等優(yōu)勢，交流異步機是目前大功率電動汽車上應(yīng)用最廣的電機。目前，交流異步電機已經(jīng)大規(guī)模化生產(chǎn)，有著各種類型的成熟產(chǎn)品可以選擇。但在高速運轉(zhuǎn)的情況下電機的轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重，工作時要保證電機冷卻，同時異步電機的驅(qū)動、控制系統(tǒng)很復(fù)雜，電機本體的成本也偏高，相比較于永磁式電動機和開關(guān)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(jù)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(jié)構(gòu)和工作原理上大體相同，轉(zhuǎn)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(chǎn)生轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，工作時不會產(chǎn)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(tǒng)相比于交流異步電機的控制系統(tǒng)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(zhuǎn)子上的永磁材料在高溫、震動和過流的條件下，會產(chǎn)生磁性衰退的現(xiàn)象，所以在相對復(fù)雜的工作條件下，永磁式電機容易發(fā)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(tǒng)成本較高。 2.4開關(guān)磁阻電機 開關(guān)磁阻電機作為一種新型電機，相比其他類型的驅(qū)動電機而言，開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)最為簡單，定、轉(zhuǎn)子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子裝有簡單的集中繞組，具有結(jié)構(gòu)簡單堅固、可靠性高、質(zhì)量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優(yōu)點。而且它具有直流調(diào)速系統(tǒng)的可控性好的優(yōu)良特性，同時適用于惡劣環(huán)境，非常適合作為電動汽車的驅(qū)動電機使用。 考慮到作為電動汽車驅(qū)動電機使用，直流電機和永磁式電機在結(jié)構(gòu)和面對復(fù)雜的工作環(huán)境適應(yīng)性太差，很容易發(fā)生機械和退磁的故障，所以本文著重介紹開關(guān)磁阻電機與交流異步機相比，有著以下方面的明顯優(yōu)勢。 2.4.1電機本體結(jié)構(gòu)方面 開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電機更簡單，其突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)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(yōu)秀的散熱特性，這種電機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子機械彈性好，所以開關(guān)磁阻電機可以用于超高速運行。 2.4.2電機驅(qū)動電路方面 開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的相電流是單向的，同時與轉(zhuǎn)矩方向無關(guān)，可以只用一個主開關(guān)器件來滿足電機的四象限運行狀態(tài)。功率變換器電路與電機的勵磁繞組直接串聯(lián)，各相電路獨立供電，即使電機的某相繞組或者控制器發(fā)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(huán)境。 2.4.3電機系統(tǒng)性能方面 開關(guān)磁阻電機的控制參數(shù)多，很容易通過適當?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)設(shè)計滿足電動汽車的四象限運行的要求，并且在高速運行區(qū)域也能保持優(yōu)秀的制動能力。開關(guān)磁阻電機不僅效率高，而且在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)都可以保持高效率，這是其他類型的電機驅(qū)動系統(tǒng)難以媲美的。這種性能十分適合應(yīng)用于電動汽車的運行情況，非常有利于提高電動汽車的續(xù)行里程。 3、結(jié)語 本文重點是通過比較各類常用的驅(qū)動電機調(diào)速系統(tǒng)，提出開關(guān)磁阻電機作為電動汽車驅(qū)動電機的優(yōu)越性，是目前電動汽車發(fā)展中的研究熱點。對于這類特種電機，在實際應(yīng)用中還有很大的發(fā)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(jié)合市場的需求，推動這類電機在實際中的應(yīng)用。

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