电动车电机的类型

电动车电机的类型 目录 一、 ......................................................................... 1 电动汽车对牵引电动机的要求 ............................................................ 2 二、 ......................................................................... 2 直流牵引电动机 ................................................................................... 2 三、 ......................................................................... 3 鼠笼式交流异步电动机........................................................................ 3 四、 ......................................................................... 4 永磁无刷直流电动机 ........................................................................... 4 五、 ......................................................................... 5 开关磁阻电动机 ................................................................................... 4 六、 ......................................................................... 6 正在研发的新的电动汽车牵引电机 .................................................... 5 七、 ......................................................................... 7 结束语 ................................................................................................... 6 电动机 内容提要:本文简要介绍电动汽车常用牵引电动机的种类、结构、工作原理、特点以及控制系统。 关键词:电动汽车 牵引电动机 种类 原理 结构 控制 特点 当前，汽车给城市污染带来的问题越来越突出，为致力于解决此问题，高效率、低排放的电动汽车正受到高度重视。大力开发电动汽车将成为必然趋势，而城市车辆和轿车是优先向电动化发展的汽车种类。自1996年来，已有3种类型的电动汽车问世，即纯电动汽车 、混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车。 电动汽车虽然种类不一，但所用的牵引电机基本上大同小异。电动汽车在不同时期采用了不同的牵引电机。最早采用的是直流牵引电机。随着电子技术和自动控制技术的发展，交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更为优越的性能，这些电动机正在逐步取代直流电动机。 1 电动汽车对牵引电动机的要求 电动汽车所用牵引电动机应具有较大的调速范围，高效、低耗，各种配套的控制装置的重量要尽可能轻，系统噪声要低。另外，还要求可靠性好、耐高温及耐潮、结构简单、适合于大批量生产、使用维修方便、价格便宜等。 在电动汽车所用各种牵引电动机中，直流电动机效率低、可靠性差、重量大;交流异步牵引电动机结构简单、运行可靠;永磁电动机和开关磁阻电动机相对应的性能也都较直流电动机优越，它们的基本性能比较见表1。 2 直流牵引电动机 较早开发的电动汽车上多采用直流牵引电动机，即使现在，还有一些电动汽车上仍然还采用直流电动机驱动。 2.1 直流牵引电动机结构 直流牵引电动机有转子电枢绕组和定子励磁绕阻、机座和电刷换向装置等主要部件组成。串激式直流电动机的电枢绕组和励磁绕组串联，而它激式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组是分开的。 2.2 直流电动机工作原理 直流电动机接上直流电源后，励磁绕组将有励磁电流通过，建立磁场。这磁场在空间固定不动，当电枢绕组经电刷和换向器的滑动接触而通过电流时，受到固定不动的励磁磁场的 作用而产生电磁力，力的方向可按左手定则判定，通过控制电枢及励磁绕组的电压、电流大小调节直流电动机的转矩和转速，电枢的转动带动汽车轮子转动而驱动汽车。 2.3 直流电动机特点 直流电动机以前通过电阻降压调速，这要消耗大量能量。目前多数采用直流斩波器来控制它的输入电压、电流，根据直流电动机输出转矩的需要，脉冲输出和变换直流电动机所需从零到最高电压，来控制和驱动直流电动机运转。 直流电动机的容量范围大，可以根据需要选用。其制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统也较简单，价格便宜。但直流电机在结构上有电刷、换向器等易磨损件，因此存在维修保养困难、寿命较短、使用环境要求高、结构复杂、效率低、质量大以及体积大、耗材多等缺点。目前新研制的各种电动汽车已基本上不再采用直流电动机。 3 鼠笼式交流异步电动机 三相鼠笼式交流异步电动机是目前应用得最广泛的电动机，转子上不需电刷，结构简单，其生产技术比较成熟，已经能够大批量的生产。 3.1 鼠笼式交流异步电动机的结构 三相鼠笼式交流异步电动机由2个基本部分组成:定子和转子。定子由机座和三相定子绕组组成，接电源;转子由硅钢片选成，内有成鼠笼型互成短路的导条。 3.2 鼠笼式交流异步电动机工作原理 当在异步电动机的定子绕组上加上三相交流电时，在电机中将产生旋转磁场，该磁场的转速由定子电压的频率及电动机极数所决定。磁场旋转时，位于该旋转磁场中的转子导条将切割磁力线，并在转子导条中产生相应的感应电流，而此感应电流又受到旋转磁场的作用而产生电磁力，使转子跟随旋转磁场旋转，输出动能。 3.3 鼠笼式交流异步电动机的控制 由于在电动汽车上，交流异步电动机不能直接使用蓄电池或发电机发出的电能(因为频率一定)。交流异步电动机的转速与所供交流电的频率近成正比，因此在采用交流异步电动机时，需应用变频器，将直流电或发电机发出的固定频率的交流电转换成频率和电压均可调的三相交流电，实现对鼠笼式交流异步电动机的控制。 3.4 鼠笼式交流异步电动机的特点 虽然三相鼠笼式牵引电动机具有结构简单、坚固耐用、工作可靠、维护方便、价格便宜等优点，得到了非常广泛的应用，但仍然存在技术上的难点。如变频器所产生的高次谐波、高附加铜耗及铁耗、高的绝缘介质损耗、附加脉动转矩、电磁噪声等。 4 永磁无刷直流电动机 4.1 永磁无刷直流电动机基本结构 永磁无刷直流电动机的结构如图1所示，它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路3部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)。转子由永久磁铁按 4??)组成，图1中的电动机本体为三相2极。三相定子绕组分别与一定极对数(2P=2、 电子开关线路中相应的功率开关联接。图1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。 永磁无刷直流电动机基本工作原理 4.2 图1为永碳无刷直流电动机的结构原理图，图2为开关顺序及定子磁场旋转示意图。 以图2a所示状态为初始位置，即第一状态，V1导通，V2、V3截止，A-A’绕组通电，该绕组电流同转子磁极作用所产生的转矩使转子磁极按图2a所示箭头顺时针方向转动(Fa为绕组A-A’通电后产生的磁动势)，转过120?电角度后，便进入第二状态。第二状态:V2导通，V1、V3截止，这时绕组A-A’断电，B-B’绕组通电，如图2b所示，电动机转子磁极继续朝箭头所示顺时针方向旋转，转过120?电角度后，便进入第三状态。第三状态:V3导通，V1、V2截止，这时B-B’绕组断电，C-C’绕组通电，定子绕组磁场继续驱动转子沿顺时针方向旋转，如图2C所示，转过120?电角度后就恢复到初始状态，见图2d所示。这样周而复始，电动机便连续不断地旋转。 在永磁无刷直流电动机运行过程中，通过控制各相绕组通电频率及电流大小来调节转速及转矩，控制定子绕组的通电次序使电动机正反转，这些都可以通过微电子系统加以实现。 4.3 永磁无刷直流电动机的特点 永磁无刷直流电动机在工作时，直接将近似方波的电流输入其定子绕组中，可以使电动机获得较大转矩，效率高、出力大、无电刷、高速性能好、结构简单牢固、免维护或少维护、质量轻。但目前，这种电机还存在损耗多、工作噪声大及脉冲式输出转矩的缺点。 5 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机简称SR。它是一种新型电动机，因其结构简单、坚固、工作可靠、效率高，其调速系统(SRD)运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，具有很大的潜力，因而近几年来，它在牵引调速领域异军突起，发展颇为迅速。 5.1 开关磁阻电动机的结构 SR电动机结构简单，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组，也无永磁体;定子极上绕有集中绕组，径向相对的2个绕组串联成1个两极磁极，称为“一相”。SR 电动机可成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配(定、转子的极数不同)，一般优选表2所示的定、转子极数组合。相数多，步距角小，转矩脉动小，但结构复杂，且主开关器件多、成本高。目前应用较多的是三相(6/4)及四相(8/6)结构。图3示出四相(8/6)SR电动机结构剖面图。为简单计，图中只画出A相绕组及其供电线路。 5.2 开关磁阻电动机工作原理 SR电动机的运行遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿磁阻最小的路径闭合。而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。 -1’之间不重合，相差15?的空以图3作为起始位置时，A相定子凸极1的磁极轴线1 间角。当A相定子绕组通电时(B、C、D绕组不通电)所产生的磁力使转子旋转到转子磁极 -1’与定子磁极轴线A-A’重合的位置，转子按逆时针方向转了一个15?的角度。这轴线1 时，定子B相的磁极轴线B-B’与转子凸极2的磁极轴线2-2’之间相差一个15?的空间角，此时断开A相电流而接通B相绕组电流(C、D相也不通电)，在磁力的作用下，转子轴线2-2’转到定子极轴线B-B’重合的位置，转子按逆时针方向又转了一个15?的角度。这时定子C-C’轴线与转子3-3’轴线又相差15?空间角 以此类推，如果起始位置为图3所示位置，顺序给A?B?C?D?A相绕组通电，转子会按逆时针方向运转。 反之，若依次给C?B?A?D?,相通电，则电动机会沿顺时针方向运转。可见，SR电动机的转向取决于各相绕组通电的顺序。 5.3 开关磁阻电动机调速系统组成 开关磁阻电动机调速系统简称SRD，主要由SR电动机、功率变换器、控制器、位置器及速度检测器等部分组成。 6 正在研发的新的电动汽车牵引电机 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，新的电机理论与控制方式层出不穷，推动新的电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点。 6.1 永磁式开关磁阻电动机 这种电动机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩，永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动，以利于它在电动车辆驱动系统中应用。 6.2 转子磁极分割型混合励磁结构同步电动机 这种电动机具有磁场控制能力，类似直流电动机的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合电动汽车低速大力矩和恒功宽高速的需求。 此外，正在研发的牵引电动机驱动系统热门课题还有: (1)车轮电机驱动系统。 (2)双馈电异步电动机驱动系统和双馈电永磁同步电动机驱动系统等。 (3)永磁无刷交流电动机。 7 结束语 由以上介绍可知，牵引电动机是电动汽车的主要部件之一。直流电动机很早就被用作电动汽车的驱动电机。直流驱动系统技术成熟，因此在电动汽车上有很大一部分是采用直流牵引电动机的新型电动汽车正在越来越多的采用性能更为优越的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机，并向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。新的牵引电动机和控制技术也正在越来越广泛地应用在电动汽车上，加上新型电池的出现，将会大大推动电动汽车的发展。电的来源多种多样，尤其在我国，水电资源相当丰富，加上它的绿色环保特性，可以预见，不要多长时间，电动汽车必将逐步替代内燃机汽车，占据主导地位。 表1 电动汽车常用各种电动机的性能比较表 项目 直流电动机 交流电动机 永磁电动机 可靠性 一般 好 优 结构坚固性 差 好 一般 外形大小 大 中 小 目前成本 较高 低 高 控制器成本 低 较高 较高 电动汽车电动机的分类 电动汽车电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流两用电动机、控制电动机(包括步进、测速、伺服、自整角等)、开关磁阻电动机及信号电动机等多种。适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机(将直流电能转换为机械能的电动机)和交流电动机(将交流电能转换为机械能的电动机)两大类。目前在电动汽车上已应用的和有应用前景的有直流电动机、交流感应(异步)电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。 编辑本段 电动汽车对电动机性能的基本要求 汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。电动汽车电动机应满足的主要要求可归纳为如下10个方面: (1) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。工作电压由THS的274 V提高到THS B的500 V;在尺寸不变的条件下，最高功率由33 kW提高到50 kW,最大转矩由350 N"m提高到400ON"m。可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。 (2)转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8 000一12 000 r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车的装备质量。 (3)质量轻，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的等也应尽可能选用轻质材料。电动汽车驱动电动 机要求有高的比功率(电动机单位质量的输出功率)和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程;而工业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。 (4)电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。 (5)电动汽车驱动电动机需要有4一5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求，而工业驱动电动机只要求有2倍的过载就可以了。 (6)电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。 (7)电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。 (8)电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的和规定。电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到300 V以上，因此必须装备高压保护设备以保证安全。 (9)能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并巨运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。 (10)结构简单.适合大批量牛产，使用维修方便.价格便宜等。