解析電動汽車的四種驅(qū)動電機(jī)

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(diǎn)，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(jī)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的部分，決定了電動汽車的性能指標(biāo)。因此，對于驅(qū)動電機(jī)的選擇就尤為重要。

1、電動汽車對于驅(qū)動電機(jī)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(biāo)：

(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(dá)到的最高時速。

針對于電動汽車的驅(qū)動特點(diǎn)所設(shè)計的電機(jī)，相比于工業(yè)用電機(jī)有著特殊的性能要求：

(1)電動汽車驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(yùn)行效率;

(4)電機(jī)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(jī)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(dá)到總能量的10%-20%;

(6)電動汽車所使用的電機(jī)工作環(huán)境更加復(fù)雜、惡劣，要求電機(jī)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(jī)生產(chǎn)的成本不能過高。

2、幾種常用的驅(qū)動電機(jī)

2.1直流電動機(jī)

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(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，這類電機(jī)技術(shù)較為成熟，有著控制方式容易，調(diào)速優(yōu)良的特點(diǎn)，曾經(jīng)在調(diào)速電動機(jī)領(lǐng)域內(nèi)有著最為廣泛的應(yīng)用。但是由于直流電動機(jī)有著復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，例如：電刷和機(jī)械換向器等，導(dǎo)致它的瞬時過載能力和電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高受到限制，而且在長時間工作的情況下，電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生損耗，提高了維護(hù)成本。此外，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時電刷冒出的火花使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，浪費(fèi)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(jī)有著以上缺點(diǎn)，目前的電動汽車已經(jīng)基本將直流電機(jī)淘汰。

2.2交流異步電動機(jī)

交流異步電機(jī)是目前工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一類電機(jī)，其特點(diǎn)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(jī)械部件，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠耐用，維修方便。交流異步電機(jī)與同功率的直流電動機(jī)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(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)勢，交流異步機(jī)是目前大功率電動汽車上應(yīng)用最廣的電機(jī)。目前，交流異步電機(jī)已經(jīng)大規(guī)?；a(chǎn)，有著各種類型的成熟產(chǎn)品可以選擇。但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，工作時要保證電機(jī)冷卻，同時異步電機(jī)的驅(qū)動、控制系統(tǒng)很復(fù)雜，電機(jī)本體的成本也偏高，相比較于永磁式電動機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)而言，異步電機(jī)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(jī)

永磁式電動機(jī)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(jī)，它具有矩形脈沖波電流;另一種是永磁同步電機(jī)，它具有正弦波電流。這兩種電機(jī)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(jī)不需要安裝電刷和機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，工作時不會產(chǎn)生換向火花，運(yùn)行安全可靠，維修方便，能量利用率較高。

永磁式電動機(jī)的控制系統(tǒng)相比于交流異步電機(jī)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(jī)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(jī)最大的缺點(diǎn)。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(jī)容易發(fā)生損壞。而且永磁材料價格較高，因此整個電機(jī)及其控制系統(tǒng)成本較高。

2.4開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新型電機(jī)，相比其他類型的驅(qū)動電機(jī)而言，開關(guān)磁阻電機(jī)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(diǎn)。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(jī)使用。

考慮到作為電動汽車驅(qū)動電機(jī)使用，直流電機(jī)和永磁式電機(jī)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(jī)械和退磁的故障，所以本文著重介紹開關(guān)磁阻電機(jī)與交流異步機(jī)相比，有著以下方面的明顯優(yōu)勢。

2.4.1電機(jī)本體結(jié)構(gòu)方面

開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電機(jī)更簡單，其突出的優(yōu)點(diǎn)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(jī)的損耗大部分集中于定子繞組上，這使得電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)能減小電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械彈性好，所以開關(guān)磁阻電機(jī)可以用于超高速運(yùn)行。

2.4.2電機(jī)驅(qū)動電路方面

開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)的四象限運(yùn)行狀態(tài)。功率變換器電路與電機(jī)的勵磁繞組直接串聯(lián)，各相電路獨(dú)立供電，即使電機(jī)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(jī)本體還是功率變換器都十分安全可靠，所以比異步機(jī)更適合用于惡劣環(huán)境。

2.4.3電機(jī)系統(tǒng)性能方面

開關(guān)磁阻電機(jī)的控制參數(shù)多，很容易通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)設(shè)計滿足電動汽車的四象限運(yùn)行的要求，并且在高速運(yùn)行區(qū)域也能保持優(yōu)秀的制動能力。開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)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(yùn)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(diǎn)是通過比較各類常用的驅(qū)動電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，提出開關(guān)磁阻電機(jī)作為電動汽車驅(qū)動電機(jī)的優(yōu)越性，是目前電動汽車發(fā)展中的研究熱點(diǎn)。對于這類特種電機(jī)，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(jìn)行理論研究，同時需要結(jié)合市場的需求，推動這類電機(jī)在實際中的應(yīng)用。