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掃一掃立即查看當前,汽車(chē)給城市污染帶來(lái)的問(wèn)題越來(lái)越突出,為致力于解決此問(wèn)題,高效率、低排放的電動(dòng)汽車(chē)正受到高度重視。大力開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)將成為必然趨勢,而城市車(chē)輛和轎車(chē)是優(yōu)先向電動(dòng)化發(fā)展的汽車(chē)種類(lèi)。自1996年來(lái),已有3種類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)問(wèn)世,即純電動(dòng)汽車(chē) 、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)以及燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。
電動(dòng)汽車(chē)雖然種類(lèi)不一,但所用的牽引電機基本上大同小異。電動(dòng)汽車(chē)在不同時(shí)期采用了不同的牽引電機。采用的是直流牽引電機。隨著(zhù)電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,交流電動(dòng)機、永磁電動(dòng)機和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機顯示出比直流電動(dòng)機更為優(yōu)越的性能,這些電動(dòng)機正在逐步取代直流電動(dòng)機。
1 電動(dòng)汽車(chē)對牽引電動(dòng)機的要求
電動(dòng)汽車(chē)所用牽引電動(dòng)機應具有較大的調速范圍,高效、低耗,各種配套的控制裝置的重量要盡可能輕,系統噪聲要低。另外,還要求可靠性好、耐高溫及耐潮、結構簡(jiǎn)單、適合于大批量生產(chǎn)、使用維修方便、價(jià)格便宜等。
在電動(dòng)汽車(chē)所用各種牽引電動(dòng)機中,直流電動(dòng)機效率低、可靠性差、重量大;交流異步牽引電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、運行可靠;永磁電動(dòng)機和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機相對應的性能也都較直流電動(dòng)機優(yōu)越。
2 直流牽引電動(dòng)機
較早開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)上多采用直流牽引電動(dòng)機,即使現在,還有一些電動(dòng)汽車(chē)上仍然還采用直流電動(dòng)機驅動(dòng)。
2.1、直流牽引電動(dòng)機結構
直流牽引電動(dòng)機有轉子電樞繞組和定子勵磁繞阻、機座和電刷換向裝置等主要部件組成。串激式直流電動(dòng)機的電樞繞組和勵磁繞組串聯(lián),而它激式直流電動(dòng)機的勵磁繞組和電樞繞組是分開(kāi)的。
2.2、直流電動(dòng)機工作原理
直流電動(dòng)機接上直流電源后,勵磁繞組將有勵磁電流通過(guò),建立磁場(chǎng)。這磁場(chǎng)在空間固定不動(dòng),當電樞繞組經(jīng)電刷和換向器的滑動(dòng)接觸而通過(guò)電流時(shí),受到固定不動(dòng)的勵磁磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力,力的方向可按左手定則判定,通過(guò)控制電樞及勵磁繞組的電壓、電流大小調節直流電動(dòng)機的轉矩和轉速,電樞的轉動(dòng)帶動(dòng)汽車(chē)輪子轉動(dòng)而驅動(dòng)汽車(chē)。
2.3、直流電動(dòng)機特點(diǎn)
直流電動(dòng)機以前通過(guò)電阻降壓調速,這要消耗大量能量。目前多數采用直流斬波器來(lái)控制它的輸入電壓、電流,根據直流電動(dòng)機輸出轉矩的需要,脈沖輸出和變換直流電動(dòng)機所需從零到高電壓,來(lái)控制和驅動(dòng)直流電動(dòng)機運轉。
直流電動(dòng)機的容量范圍大,可以根據需要選用。其制造技術(shù)和控制技術(shù)都較成熟,驅動(dòng)系統也較簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜。但直流電機在結構上有電刷、換向器等易磨損件,因此存在維修保養困難、壽命較短、使用環(huán)境要求高、結構復雜、效率低、質(zhì)量大以及體積大、耗材多等缺點(diǎn)。目前新研制的各種電動(dòng)汽車(chē)已基本上不再采用直流電動(dòng)機。
3 鼠籠式交流異步電動(dòng)機
三相鼠籠式交流異步電動(dòng)機是目前應用得最廣泛的電動(dòng)機,轉子上不需電刷,結構簡(jiǎn)單,其生產(chǎn)技術(shù)比較成熟,已經(jīng)能夠大批量的生產(chǎn)。
3.1 鼠籠式交流異步電動(dòng)機的結構
三相鼠籠式交流異步電動(dòng)機由2個(gè)基本部分組成:定子和轉子。定子由機座和三相定子繞組組成,接電源;轉子由硅鋼片選成,內有成鼠籠型互成短路的導條。
3.2 鼠籠式交流異步電動(dòng)機工作原理
當在異步電動(dòng)機的定子繞組上加上三相交流電時(shí),在電機中將產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng),該磁場(chǎng)的轉速由定子電壓的頻率及電動(dòng)機極數所決定。磁場(chǎng)旋轉時(shí),位于該旋轉磁場(chǎng)中的轉子導條將切割磁力線(xiàn),并在轉子導條中產(chǎn)生相應的感應電流,而此感應電流又受到旋轉磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力,使轉子跟隨旋轉磁場(chǎng)旋轉,輸出動(dòng)能。
3.3 鼠籠式交流異步電動(dòng)機的控制
由于在電動(dòng)汽車(chē)上,交流異步電動(dòng)機不能直接使用蓄電池或發(fā)電機發(fā)出的電能(因為頻率一定)。交流異步電動(dòng)機的轉速與所供交流電的頻率近成正比,因此在采用交流異步電動(dòng)機時(shí),需應用變頻器,將直流電或發(fā)電機發(fā)出的固定頻率的交流電轉換成頻率和電壓均可調的三相交流電,實(shí)現對鼠籠式交流異步電動(dòng)機的控制。
3.4、鼠籠式交流異步電動(dòng)機的特點(diǎn)
雖然三相鼠籠式牽引電動(dòng)機具有結構簡(jiǎn)單、堅固耐用、工作可靠、維護方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),得到了非常廣泛的應用,但仍然存在技術(shù)上的難點(diǎn)。如變頻器所產(chǎn)生的高次諧波、高附加銅耗及鐵耗、高的絕緣介質(zhì)損耗、附加脈動(dòng)轉矩、電磁噪聲等。4 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機
4.1、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機基本結構
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的結構如圖1所示,它主要由電動(dòng)機本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路3部分組成。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)。轉子由永久磁鐵按一定極對數(2P=2、4┅┅)組成,圖1中的電動(dòng)機本體為三相2極。三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路中相應的功率開(kāi)關(guān)聯(lián)接。圖1中A相、B相、C相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉子與電動(dòng)機轉軸相聯(lián)接。
4.2、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機基本工作原理
圖1為永碳無(wú)刷直流電動(dòng)機的結構原理圖,圖2為開(kāi)關(guān)順序及定子磁場(chǎng)旋轉的意圖。
以圖2a所示狀態(tài)為初始位置,即第一狀態(tài),V1導通,V2、V3截止,A-A’繞組通電,該繞組電流同轉子磁極作用所產(chǎn)生的轉矩使轉子磁極按圖2a所示箭頭順時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)(Fa為繞組A-A’通電后產(chǎn)生的磁動(dòng)勢),轉過(guò)120°電角度后,便進(jìn)入第二狀態(tài)。第二狀態(tài):V2導通,V1、V3截止,這時(shí)繞組A-A’斷電,B-B’繞組通電,如圖2b所示,電動(dòng)機轉子磁極繼續朝箭頭所示順時(shí)針?lè )较蛐D,轉過(guò)120°電角度后,便進(jìn)入第三狀態(tài)。第三狀態(tài):V3導通,V1、V2截止,這時(shí)B-B’繞組斷電,C-C’繞組通電,定子繞組磁場(chǎng)繼續驅動(dòng)轉子沿順時(shí)針?lè )较蛐D,如圖2C所示,轉過(guò)120°電角度后就恢復到初始狀態(tài),見(jiàn)圖2d所示。這樣周而復始,電動(dòng)機便連續不斷地旋轉。
在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機運行過(guò)程中,通過(guò)控制各相繞組通電頻率及電流大小來(lái)調節轉速及轉矩,控制定子繞組的通電次序使電動(dòng)機正反轉,這些都可以通過(guò)微電子系統加以實(shí)現。
4.3、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的特點(diǎn)
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機在工作時(shí),直接將近似方波的電流輸入其定子繞組中,可以使電動(dòng)機獲得較大轉矩,效率高、出力大、無(wú)電刷、高速性能好、結構簡(jiǎn)單牢固、免維護或少維護、質(zhì)量輕。但目前,這種電機還存在損耗多、工作噪聲大及脈沖式輸出轉矩的缺點(diǎn)。
5 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機簡(jiǎn)稱(chēng)SR。它是一種新型電動(dòng)機,因其結構簡(jiǎn)單、堅固、工作可靠、效率高,其調速系統(SRD)運行性能和經(jīng)濟指標比普通的交流調速系統好,具有很大的潛力,因而近幾年來(lái),它在牽引調速領(lǐng)域異軍突起,發(fā)展頗為迅速。
5.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的結構
SR電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單,其定、轉子均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子既無(wú)繞組,也無(wú)永磁體;定子極上繞有集中繞組,徑向相對的2個(gè)繞組串聯(lián)成1個(gè)兩極磁極,稱(chēng)為“一相”。SR電動(dòng)機可設計成多種不同相數結構,且定、轉子的極數有多種不同的搭配(定、轉子的極數不同),一般優(yōu)選表2所示的定、轉子極數組合方案。相數多,步距角小,轉矩脈動(dòng)小,但結構復雜,且主開(kāi)關(guān)器件多、成本高。目前應用較多的是三相(6/4)及四相(8/6)結構。圖3示出四相(8/6)SR電動(dòng)機結構剖面圖。為簡(jiǎn)單計,圖中只畫(huà)出A相繞組及其供電線(xiàn)路。
5.2、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機工作原理
SR電動(dòng)機的運行遵循“小磁阻原理”——磁通總要沿小磁阻的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到小磁阻位置時(shí),必使自己的主軸線(xiàn)與磁場(chǎng)的軸線(xiàn)重合。
以圖3作為起始位置時(shí),A相定子凸極1的磁極軸線(xiàn)1-1’之間不重合,相差15°的空間角。當A相定子繞組通電時(shí)(B、C、D繞組不通電)所產(chǎn)生的磁力使轉子旋轉到轉子磁極軸線(xiàn)1-1’與定子磁極軸線(xiàn)A-A’重合的位置,轉子按逆時(shí)針?lè )较蜣D了一個(gè)15°的角度。這時(shí),定子B相的磁極軸線(xiàn)B-B’與轉子凸極2的磁極軸線(xiàn)2-2’之間相差一個(gè)15°的空間角,此時(shí)斷開(kāi)A相電流而接通B相繞組電流(C、D相也不通電),在磁力的作用下,轉子軸線(xiàn)2-2’轉到定子極軸線(xiàn)B-B’重合的位置,轉子按逆時(shí)針?lè )较蛴洲D了一個(gè)15°的角度。這時(shí)定子C-C’軸線(xiàn)與轉子3-3’軸線(xiàn)又相差15°空間角 以此類(lèi)推,如果起始位置為圖3所示位置,順序給A→B→C→D→A相繞組通電,轉子會(huì )按逆時(shí)針?lè )较蜻\轉。 反之,若依次給C→B→A→D→C相通電,則電動(dòng)機會(huì )沿順時(shí)針?lè )较蜻\轉??梢?jiàn),SR電動(dòng)機的轉向取決于各相繞組通電的順序。
5.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統組成
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統簡(jiǎn)稱(chēng)SRD,主要由SR電動(dòng)機、功率變換器、控制器、位置檢測器及速度檢測器等部分組成。
6 正在研發(fā)的新的電動(dòng)汽車(chē)牽引電機
隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,新的電機理論與控制方式層出不窮,推動(dòng)新的電機驅動(dòng)系統迅猛發(fā)展。高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調速牽引電機驅動(dòng)系統已成為各國研究和開(kāi)發(fā)的主要熱點(diǎn)。
6.1、永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機
這種電動(dòng)機在磁阻轉矩的基礎上迭加了永磁轉矩,永磁轉矩的存在有助于提高電機的功率密度和減小轉矩脈動(dòng),以利于它在電動(dòng)車(chē)輛驅動(dòng)系統中應用。
6.2、轉子磁極分割型混合勵磁結構同步電動(dòng)機
這種電動(dòng)機具有磁場(chǎng)控制能力,類(lèi)似直流電動(dòng)機的低速助磁控制和高速弱磁控制,符合電動(dòng)汽車(chē)低速大力矩和恒功寬高速的需求。
此外,正在研發(fā)的牽引電動(dòng)機驅動(dòng)系統熱門(mén)課題還有:
(1)車(chē)輪電機驅動(dòng)系統。
(2)雙饋電異步電動(dòng)機驅動(dòng)系統和雙饋電永磁同步電動(dòng)機驅動(dòng)系統等。
(3)永磁無(wú)刷交流電動(dòng)機。
7 結束語(yǔ)
由以上介紹可知,牽引電動(dòng)機是電動(dòng)汽車(chē)的主要部件之一。直流電動(dòng)機很早就被用作電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)電機。直流驅動(dòng)系統技術(shù)成熟,因此在電動(dòng)汽車(chē)上有很大一部分是采用直流牽引電動(dòng)機的新型電動(dòng)汽車(chē)正在越來(lái)越多的采用性能更為優(yōu)越的交流電動(dòng)機、永磁電動(dòng)機和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機,并向大功率、高轉速、高效率和小型化方向發(fā)展。新的牽引電動(dòng)機和控制技術(shù)也正在越來(lái)越廣泛地應用在電動(dòng)汽車(chē)上,加上新型電池的出現,將會(huì )大大推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。電的來(lái)源多種多樣,尤其在我國,水電資源相當豐富,加上它的綠色環(huán)保特性,可以預見(jiàn),不要多長(cháng)時(shí)間,電動(dòng)汽車(chē)必將逐步替代內燃機汽車(chē),占據主導地位。
表1 電動(dòng)汽車(chē)常用各種電動(dòng)機的性能比較表
項目 | 直流電動(dòng)機 | 交流電動(dòng)機 | 永磁電動(dòng)機 |
可靠性 | 一般 | 好 | 優(yōu) |
結構堅固性 | 差 | 好 | 一般 |
外形大小 | 大 | 中 | 小 |
目前成本 | 較高 | 低 | 高 |
控制器成本 | 低 | 較高 | 較高 |