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各種電動汽車電機的比較

2018/11/7 11:20:19 山東得普達電機股份有限公司 閱讀 195
人類與環境共存和全球經濟的可持續發展使人們迫切希望尋求到一種低排放和有效利用資源的交通工具,使用電動汽車無疑是一種很有希望的方案。

現代電動汽車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種高新技術的綜合產品。整體的運行性能、經濟性等首先取決于電池系統和電機驅動控制系統。電動汽車的電機驅動系統一般由4個主要部分組成,即控制器。功率變換器、電動機及傳感器。目前電動汽車中使用的電動機一般有直流電動機、感應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。


1 電動汽車對電動機的基本要求


電動汽車的運行,與一般的工業應用不同,非常復雜。因此,對驅動系統的要求是很高的。

1.1 電動汽車用電動機應具有瞬時功率大,過載能力強、過載系數應為3~4),加速性能好,使用壽命長的特點。

1.2 電動汽車用電動機應具有寬廣的調速范圍,包括恒轉矩區和恒功率區。在恒轉矩區,要求低速運行時具有大轉矩,以滿足起動和爬坡的要求;在恒功率區,要求低轉矩時具有高的速度,以滿足汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。

1.3 電動汽車用電動機應能夠在汽車減速時實現再生制動,將能量回收并反饋回蓄電池,使得電動汽車具有最佳能量的利用率,這在內燃機汽車上是不能實現的。

1.4 電動汽車用電動機應在整個運行范圍內,具有高的效率,以提高1次充電的續駛里程。

另外還要求電動汽車用電動機可靠性好,能夠在較惡劣的環境下長期工作,結構簡單適應大批量生產,運行時噪聲低,使用維修方便,價格便宜等。

2 電動汽車用電動機的種類和控制方法
2.1 直流電動機

有刷直流電動機的主要優點是控制簡單、技術成熟。具有交流電機不可比擬的優良控制特性。在早期開發的電動汽車上多采用直流電動機,即使到現在,還有一些電動汽車上仍使用直流電動機來驅動。但由于存在電刷和機械換向器,不但限制了電機過載能力與速度的進一步提高,而且如果長時間運行,勢必要經常維護和更換電刷和換向器。另外,由于損耗存在于轉子上,使得散熱困難,限制了電機轉矩質量比的進一步提高。鑒于直流電動機存在以上缺陷,在新研制的電動汽車上已基本不采用直流電動機。

2.2 交流三相感應電動機

2.2.1 交流三相感應電動機的基本性能

交流三相感應電動機是應用得最廣泛的電動機。其定子和轉子采用硅鋼片疊壓而定子之間沒有相互接觸的滑環、換向器等部件。結構簡單,運行可靠,經久耐用。交流感應電動機的功率覆蓋面很寬廣,轉速達到12000~15000r/min。可采用空氣冷卻或液體冷卻方式,冷卻自由度高。對環境的適應性好,井能夠實現再生反饋制動。與同樣功率的直流電動機相比較,效率較高,質量減輕一半左右,價格便宜,維修方便。

2.2.2 交流感應電動機的控制系統

由于交流三相感應電動機不能直接使用蓄電池供給的直流電,另外交流三相感應電動機具有非線性輸出特性。因此,在采用交流三相感應電動機的電動汽車上,需要應用逆變器中的功率半導體器件,將直流電變為頻卒和幅值都可以調節的交流電來實現對交流三相電動機的控制。主要有v/f控制法、轉差頻率控制法。

用矢量控制法,對交流三相感應電動機的勵磁繞組交流電的頻率和輸入交流三相感應電動機的端調控制,控制交流三相感應電動機旋轉磁場的磁通量和轉矩,實現改變交流三相感應電動機轉速和輸出轉矩,來滿足負載變化特性的要求,并能夠獲得最高效率,從而使得交流三相感應電動機能夠在電動汽車上得到廣泛應用。

2.2.3 交流三相感應電動機的不足

交流三相感應電動機的耗電量較大,轉子容易發熱,在高速運轉時需要保證對交流三相感應電動機的冷卻,否則會損壞電動機。交流三相感應電動機的功率因數較低,使得變頻變壓裝置的輸入功率因數也較低,因此需要采用大容量的變頻變壓裝置。交流三相感應電動機的控制系統的造價遠遠高于交流三相感應電動機本身,增加了電動汽車的成本。另外,交流三相感應電動機的調速性也較差。

2.3 永磁無刷直流電動機

2.3.1永磁無刷直流電動機的基本性能

永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結構。加之,它采用永磁體轉子,沒有勵磁損耗:發熱的電樞繞組又裝在外面的定子上,散熱容易,因此,永磁無刷直流電動機沒有換向火花,沒有無線電干擾,壽命長,運行可靠,維修簡便。此外,它的轉速不受機械換向的限制,如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承,可以在每分鐘高達幾十萬轉運行。永磁無刷直流電動機機系統相比具有更高的能量密度和更高的效率,在電動汽車中有著很好的應用前景。

2.3.2 永磁無刷直流電動機的控制系統

典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統,由于永磁體只能產生固定幅值磁場,因而永磁無刷直流電動機系統非常適合于運行在恒轉矩區域,一般采用電流滯環控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進一步擴充轉速,永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質是使相電流相位角超前,提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。

2.3.3 永磁無刷直流電動機的不足

永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制,使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小,最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時,其導磁性能可能會下降或發生退磁現象,將降低永磁電動機的性能,嚴重時還會損壞電動機,在使用中必須嚴格控制,使其不發生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下,操縱復雜,需要一套復雜的控制系統,從而使得永磁無刷直流電動機的驅動系統造價很高。

2.4 開關磁阻電動機

2.4.1 開關磁阻電動機的基本性能

開關磁阻電動機是一種新型電動機,該系統具有很多明顯的特點:它的結構比其它任何一種電動機都要簡單,在電動機的轉子上沒有滑環、繞組和永磁體等,只是在定子上有簡單的集中繞組,繞組的端部較短,沒有相間跨接線,維護修理容易。因而可靠性好,轉速可達15000 r/min。效率可達85%~93%呢,比交流感應電動機要高。損耗主要在定子,電機易于冷卻;轉子元永磁體,調速范圍寬,控制靈活,易于實現各種特殊要求的轉矩一速度特性,而且在很廣的范圍內保持高效率。更加適合電動汽車動力性能要求。

2.4.2 開關磁阻電動機的控制系統

開關磁阻電動機具有高度的非線性特性,因此,它的驅動系統較為復雜。它的控制系統包括功率變換器。

a. 功率變換器

開關磁阻電動機的勵磁繞組,無論通過正向電流或反向電流,其轉矩方向不變,期換向,每相只需要一個容量較小的功率開關管,功率變換器電路較簡單,不會出現直通故障,可靠性好,易于實現系統的軟啟動和四象限運行,具有較強的再生制動能力。成本比交流三相感應電動機的逆變器控制系統要低。

b.控制器

控制器由微處理器、數字邏輯電路等元件組成。微處理器根據駕駛員輸入的命令,同時對位置檢測器、電流檢測器所反饋的電動機轉子位置,進行分析、處理,并在瞬間做出決策,發出一系列執行命令,來控制開關磁阻電動機適應電動汽車不同條件下運行。控制器性能好壞和調節的靈活性,取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關系。

c.位置檢測器

開關磁阻電動機需要高精度的位置檢測器,來為控制系統提供電動機轉子的位置、轉速和電流的變化信號,并要求有較高的開關頻率以降低開關磁阻電動機的噪聲。

2.4.3 開關磁阻電動機的不足

開關磁阻電動機的控制系統比其他電動機的控制系統復雜一些,位置檢測器是開關磁阻電動機的關鍵器件,其性能對開關磁阻電動機的控制操作有重要影響。由于開關磁阻電動機為雙凸極結構,不可避免地存在轉矩波動,噪聲是開關磁阻電動機最主要的缺點。但近年來的研究表明,采用合理的設計、制造和控制技術,開關磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外,由于開關磁阻電動機輸出轉矩波動較大,功率變換器的直流電流波動也較大,所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器

3 電動汽車采用的各種驅動電動機性能比較

電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的電動是采用了控制性能最好和成本較低的直流電動機。隨著電機技術、機械制造技術、電力電子技術和自動控制技術的不斷發展,交流電動機。永磁無刷直流電動機和開關磁阻電動機顯示出比直流電動機更加優越的性能,在電動汽車上,這些電動機逐步取代了直流電動機。表1為現代電動汽車所采用的各種電動機的基本性能比較。目前交動機、永磁電動機和開關磁阻電動機以及它們的控制裝置,成本還比較高,形成批量生產以后,這些電動機和單元控制裝置的價格會迅速降低,將能夠滿足經濟效益的要求,并使電動汽車整車價格降低。

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