在環(huán)保的大環(huán)境下，電動(dòng)汽車(chē)也成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)在城市交通中可以實(shí)現零排放或極低排放，在環(huán)保領(lǐng)域優(yōu)勢巨大，各國都在努力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)主要是由電機驅動(dòng)系統、電池系統和整車(chē)控制系統三部分構成，其中的電機驅動(dòng)系統是直接將電能轉換為機械能的部分，決定了電動(dòng)汽車(chē)的性能指標。因此，對于驅動(dòng)電機的選擇就尤為重要。
1、電動(dòng)汽車(chē)對于驅動(dòng)電機的要求
目前對于電動(dòng)汽車(chē)性能的評定，主要是考慮以下三個(gè)性能指標：
(1)最大行駛里程(km)：電動(dòng)汽車(chē)在電池充滿(mǎn)電后的最大行駛里程；
(2)加速能力(s)：電動(dòng)汽車(chē)從靜止加速到一定的時(shí)速所需要的最小時(shí)間；
(3)最高時(shí)速(km/h)：電動(dòng)汽車(chē)所能達到的最高時(shí)速。
針對于電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)特點(diǎn)所設計的電機，相比于工業(yè)用電機有著(zhù)特殊的性能要求：
(1)電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)電機通常要求可以頻繁的啟動(dòng)/停車(chē)、加速/減速、轉矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求較高；
(2)為了減少整車(chē)的重量，通常取消多級變速器，這就要求在低速或爬坡時(shí)，電機可以提供較高的轉矩，通常來(lái)說(shuō)要能夠承受4-5倍的過(guò)載；
(3)要求調速范圍盡量大，同時(shí)在整個(gè)調速范圍內還需要保持較高的運行效率；
(4)電機設計時(shí)盡量設計為高額定轉速，同時(shí)盡量采用鋁合金外殼，高速電機體積小，有利于減少電動(dòng)汽車(chē)的重量；
(5)電動(dòng)汽車(chē)應具有最優(yōu)化的能量利用，具有制動(dòng)能量回收功能，再生制動(dòng)回收的能量一般要達到總能量的10%-20%；
(6)電動(dòng)汽車(chē)所使用的電機工作環(huán)境更加復雜、惡劣，要求電機在有著(zhù)很好的可靠性和環(huán)境適應性，同時(shí)還要保證電機生產(chǎn)的成本不能過(guò)高。
2、幾種常用的驅動(dòng)電機
2.1直流電動(dòng)機
在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的早期，大部分的電動(dòng)汽車(chē)都采用直流電動(dòng)機作為驅動(dòng)電機，這類(lèi)電機技術(shù)較為成熟，有著(zhù)控制方式容易，調速優(yōu)良的特點(diǎn)，曾經(jīng)在調速電動(dòng)機領(lǐng)域內有著(zhù)最為廣泛的應用。但是由于直流電動(dòng)機有著(zhù)復雜的機械結構，例如：電刷和機械換向器等，導致它的瞬時(shí)過(guò)載能力和電機轉速的進(jìn)一步提高受到限制，而且在長(cháng)時(shí)間工作的情況下，電機的機械結構會(huì )產(chǎn)生損耗，提高了維護成本。此外，電動(dòng)機運轉時(shí)電刷冒出的火花使轉子發(fā)熱，浪費能量，散熱困難，也會(huì )造成高頻電磁干擾，影響整車(chē)性能。由于直流電動(dòng)機有著(zhù)以上缺點(diǎn)，目前的電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)基本將直流電機淘汰。
2.2交流異步電動(dòng)機
交流異步電機是目前工業(yè)中應用十分廣泛的一類(lèi)電機，其特點(diǎn)是定、轉子由硅鋼片疊壓而成，兩端用鋁蓋封裝，定、轉子之間沒(méi)有相互接觸的機械部件，結構簡(jiǎn)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(dòng)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速范圍。由于有著(zhù)效率高、比功率較大、適合于高速運轉等優(yōu)勢，交流異步機是目前大功率電動(dòng)汽車(chē)上應用最廣的電機。目前，交流異步電機已經(jīng)大規�；a(chǎn)，有著(zhù)各種類(lèi)型的成熟產(chǎn)品可以選擇。但在高速運轉的情況下電機的轉子發(fā)熱嚴重，工作時(shí)要保證電機冷卻，同時(shí)異步電機的驅動(dòng)、控制系統很復雜，電機本體的成本也偏高，相比較于永磁式電動(dòng)機和開(kāi)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(dòng)汽車(chē)的最大行行駛里程不利。
2.3永磁式電動(dòng)機
永磁式電動(dòng)機根據定子繞組的電流波形的不同可分為兩種類(lèi)型，一種是無(wú)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。這兩種電機在結構和工作原理上大體相同，轉子都是永磁體，減少了勵磁所帶來(lái)的損耗，定子上安裝有繞組通過(guò)交流電來(lái)產(chǎn)生轉矩，所以冷卻相對容易。由于這類(lèi)電機不需要安裝電刷和機械換向結構，工作時(shí)不會(huì )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(dòng)機的控制系統相比于交流異步電機的控制系統來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)單。但是由于受到永磁材料工藝的限制，使得永磁式電動(dòng)機的功率范圍較小，一般最大功率只有幾十千萬(wàn)，這是永磁電機最大的缺點(diǎn)。同時(shí)，轉子上的永磁材料在高溫、震動(dòng)和過(guò)流的條件下，會(huì )產(chǎn)生磁性衰退的現象，所以在相對復雜的工作條件下，永磁式電機容易發(fā)生損壞。而且永磁材料價(jià)格較高，因此整個(gè)電機及其控制系統成本較高。
2.4開(kāi)關(guān)磁阻電機
開(kāi)關(guān)磁阻電機作為一種新型電機，相比其他類(lèi)型的驅動(dòng)電機而言，開(kāi)關(guān)磁阻電機的結構最為簡(jiǎn)單，定、轉子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結構，轉子上沒(méi)有繞組，定子裝有簡(jiǎn)單的集中繞組，具有結構簡(jiǎn)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)。而且它具有直流調速系統的可控性好的優(yōu)良特性，同時(shí)適用于惡劣環(huán)境，非常適合作為電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)電機使用。
考慮到作為電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)電機使用，直流電機和永磁式電機在結構和面對復雜的工作環(huán)境適應性太差，很容易發(fā)生機械和退磁的故障，所以本文著(zhù)重介紹開(kāi)關(guān)磁阻電機與交流異步機相比，有著(zhù)以下方面的明顯優(yōu)勢。
2.4.1電機本體結構方面
開(kāi)關(guān)磁阻電機的結構比鼠籠式感應電機更簡(jiǎn)單，其突出的優(yōu)點(diǎn)是轉子上沒(méi)有繞組，僅僅是由普通硅鋼片疊壓而成。整個(gè)電機的損耗大部分集中于定子繞組上，這使得電機制造簡(jiǎn)單，絕緣性好，容易冷卻，有著(zhù)優(yōu)秀的散熱特性，這種電機結構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。由于電機轉子機械彈性好，所以開(kāi)關(guān)磁阻電機可以用于超高速運行。
2.4.2電機驅動(dòng)電路方面
開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統的相電流是單向的，同時(shí)與轉矩方向無(wú)關(guān)，可以只用一個(gè)主開(kāi)關(guān)器件來(lái)滿(mǎn)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(huì )造成更大的影響。所以，無(wú)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電機系統性能方面
開(kāi)關(guān)磁阻電機的控制參數多，很容易通過(guò)適當的控制策略和系統設計滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的四象限運行的要求，并且在高速運行區域也能保持優(yōu)秀的制動(dòng)能力。開(kāi)關(guān)磁阻電機不僅效率高，而且在很寬的調速范圍內都可以保持高效率，這是其他類(lèi)型的電機驅動(dòng)系統難以媲美的。這種性能十分適合應用于電動(dòng)汽車(chē)的運行情況，非常有利于提高電動(dòng)汽車(chē)的續行里程。
3、結語(yǔ)
本文重點(diǎn)是通過(guò)比較各類(lèi)常用的驅動(dòng)電機調速系統，提出開(kāi)關(guān)磁阻電機作為電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)電機的優(yōu)越性，是目前電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中的研究熱點(diǎn)。對于這類(lèi)特種電機，在實(shí)際應用中還有很大的發(fā)展空間，需要研究人員更加努力的進(jìn)行理論研究，同時(shí)需要結合市場(chǎng)的需求，推動(dòng)這類(lèi)電機在實(shí)際中的應用。 |
