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电动汽车常用的四种驱动电机详解

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-03-23 
 电动汽车主要是由电机驱动系统、电池系统和整车控制系统三部分构成,其中的电机驱动系统是直接将电能转换为机械能的部分,决定了电动汽车的性能指标。因此,对于驱动电机的选择就尤为重要。

在环保的大环境下,电动汽车也成为了近年来研究的热点,电动汽车在城市交通中可以实现零排放或极低排放,在环保领域优势巨大,各国都在努力发展电动汽车。电动汽车主要是由电机驱动系统、电池系统和整车控制系统三部分构成,其中的电机驱动系统是直接将电能转换为机械能的部分,决定了电动汽车的性能指标。因此,对于驱动电机的选择就尤为重要。

1、电动汽车对于驱动电机的要求

目前对于电动汽车性能的评定,主要是考虑以下三个性能指标:

(1)最大行驶里程(km):电动汽车在电池充满电后的最大行驶里程;

(2)加速能力(s):电动汽车从静止加速到一定的时速所需要的最小时间;

(3)最高时速(km/h):电动汽车所能达到的最高时速。

针对于电动汽车的驱动特点所设计的电机,相比于工业用电机有着特殊的性能要求:

(1)电动汽车驱动电机通常要求可以频繁的启动/停车、加速/减速、转矩控制的动态性能要求较高;

(2)为了减少整车的重量,通常取消多级变速器,这就要求在低速或爬坡时,电机可以提供较高的转矩,通常来说要能够承受4-5倍的过载;

(3)要求调速范围尽量大,同时在整个调速范围内还需要保持较高的运行效率;

(4)电机设计时尽量设计为高额定转速,同时尽量采用铝合金外壳,高速电机体积小,有利于减少电动汽车的重量;

(5)电动汽车应具有最优化的能量利用,具有制动能量回收功能,再生制动回收的能量一般要达到总能量的10%-20%;

(6)电动汽车所使用的电机工作环境更加复杂、恶劣,要求电机在有着很好的可靠性和环境适应性,同时还要保证电机生产的成本不能过高。

2、几种常用的驱动电机

2.1直流电动机

在电动汽车发展的早期,大部分的电动汽车都采用直流电动机作为驱动电机,这类电机技术较为成熟,有着控制方式容易,调速优良的特点,曾经在调速电动机领域内有着最为广泛的应用。但是由于直流电动机有着复杂的机械结构,例如:电刷和机械换向器等,导致它的瞬时过载能力和电机转速的进一步提高受到限制,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。此外,电动机运转时电刷冒出的火花使转子发热,浪费能量,散热困难,也会造成高频电磁干扰,影响整车性能。由于直流电动机有着以上缺点,目前的电动汽车已经基本将直流电机淘汰。

2.2交流异步电动机

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。交流异步电机与同功率的直流电动机相比效率更高,质量约轻了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式,可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围。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。目前,交流异步电机已经大规模化生产,有着各种类型的成熟产品可以选择。但在高速运转的情况下电机的转子发热严重,工作时要保证电机冷却,同时异步电机的驱动、控制系统很复杂,电机本体的成本也偏高,相比较于永磁式电动机和开关磁阻电机而言,异步电机的效率和功率密度偏低,对于提高电动汽车的最大行驶里程不利。

2.3永磁式电动机

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。

永磁式电动机的控制系统相比于交流异步电机的控制系统来说更加简单。但是由于受到永磁材料工艺的限制,使得永磁式电动机的功率范围较小,一般最大功率只有几十千万,这是永磁电机最大的缺点。同时,转子上的永磁材料在高温、震动和过流的条件下,会产生磁性衰退的现象,所以在相对复杂的工作条件下,永磁式电机容易发生损坏。而且永磁材料价格较高,因此整个电机及其控制系统成本较高。

2.4开关磁阻电机

开关磁阻电机作为一种新型电机,相比其他类型的驱动电机而言,开关磁阻电机的结构最为简单,定、转子均为普通硅钢片叠压而成的双凸极结构,转子上没有绕组,定子装有简单的集中绕组,具有结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修等诸多优点。而且它具有直流调速系统的可控性好的优良特性,同时适用于恶劣环境,非常适合作为电动汽车的驱动电机使用。

考虑到作为电动汽车驱动电机使用,直流电机和永磁式电机在结构和面对复杂的工作环境适应性太差,很容易发生机械和退磁的故障,所以本文着重介绍开关磁阻电机与交流异步机相比,有着以下方面的明显优势。

2.4.1电机本体结构方面

开关磁阻电机的结构比鼠笼式感应电机更简单,其突出的优点是转子上没有绕组,仅仅是由普通硅钢片叠压而成。整个电机的损耗大部分集中于定子绕组上,这使得电机制造简单,绝缘性好,容易冷却,有着优秀的散热特性,这种电机结构能减小电机体积和重量,可以用很小的体积取得较大的输出功率。由于电机转子机械弹性好,所以开关磁阻电机可以用于超高速运行。

2.4.2电机驱动电路方面

开关磁阻电机驱动系统的相电流是单向的,同时与转矩方向无关,可以只用一个主开关器件来满足电机的四象限运行状态。功率变换器电路与电机的励磁绕组直接串联,各相电路独立供电,即使电机的某相绕组或者控制器发生故障,只需使该相停止工作即可,不会造成更大的影响。所以,无论电机本体还是功率变换器都十分安全可靠,所以比异步机更适合用于恶劣环境。

2.4.3电机系统性能方面

开关磁阻电机的控制参数多,很容易通过适当的控制策略和系统设计满足电动汽车的四象限运行的要求,并且在高速运行区域也能保持优秀的制动能力。开关磁阻电机不仅效率高,而且在很宽的调速范围内都可以保持高效率,这是其他类型的电机驱动系统难以媲美的。这种性能十分适合应用于电动汽车的运行情况,非常有利于提高电动汽车的续行里程。

3、结语

本文重点是通过比较各类常用的驱动电机调速系统,提出开关磁阻电机作为电动汽车驱动电机的优越性,是目前电动汽车发展中的研究热点。对于这类特种电机,在实际应用中还有很大的发展空间,需要研究人员更加努力的进行理论研究,同时需要结合市场的需求,推动这类电机在实际中的应用。

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