電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配原則探討
中國(guó)新能源汽車(chē)明確純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)路線以后,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了。下面就電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配原則予以探討。
一、純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)形式
車(chē)載內(nèi)燃機(jī)輸出的動(dòng)力直接來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)運(yùn)動(dòng),這個(gè)內(nèi)燃機(jī)在汽車(chē)行業(yè)內(nèi)被稱(chēng)之為發(fā)動(dòng)機(jī)。可以說(shuō),發(fā)動(dòng)機(jī)是一種特別的內(nèi)燃機(jī)。
按發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)中的安放不同位置來(lái)劃分,有前置發(fā)動(dòng)機(jī)、中置發(fā)動(dòng)機(jī)、后置發(fā)動(dòng)機(jī)三種。
按位置不同可以細(xì)分,主要有前置發(fā)動(dòng)機(jī)前驅(qū),前置發(fā)動(dòng)機(jī)后驅(qū),后置發(fā)動(dòng)機(jī)后驅(qū)三種等。
按電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式,目前有前置電機(jī)、中置電機(jī)、后置電機(jī)、輪邊電機(jī)、輪轂電機(jī)等多種。
二、驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)特性
(1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求較高,動(dòng)態(tài)性能越好,電機(jī)技術(shù)水平越高;
(2)要求電機(jī)可以提供較高的轉(zhuǎn)矩,通常來(lái)說(shuō)要能夠承受4-5倍的過(guò)載;
(3)驅(qū)動(dòng)電機(jī)不僅要求保持較高的運(yùn)行效率,同時(shí)要求調(diào)速范圍盡量大;
(4)要求電機(jī)不僅驅(qū)動(dòng)性能好,還要兼顧發(fā)電機(jī)的功能,且要求發(fā)電效率高。
(5)驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須要求到達(dá)汽車(chē)級(jí),一般工業(yè)級(jí)電機(jī)是不能直接用于汽車(chē)的。
(6)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部相對(duì)空間狹小,要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)重量輕、體積小。
三、約束驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要指標(biāo)
(1)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;
(2)最高時(shí)速(km/h):電動(dòng)汽車(chē)所能達(dá)到的最高時(shí)速。
(3)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。
四、目前電動(dòng)汽車(chē)常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)比較
1)直流電動(dòng)機(jī)
①直流電動(dòng)機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1、圖2)
圖1 直流電動(dòng)機(jī)外形圖
圖2 直流電動(dòng)機(jī)零部件圖
②優(yōu)點(diǎn):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)。
③缺點(diǎn):機(jī)械結(jié)構(gòu)。如電刷和機(jī)械換向器等;瞬時(shí)過(guò)載能力不足;電機(jī)轉(zhuǎn)速提高受到限制;在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí),電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生損耗,提高了維護(hù)成本;電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(huì)造成高頻電磁干擾。
④基本趨勢(shì):直流電機(jī),在調(diào)速電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)有著最為廣泛的應(yīng)用,早期大部分的電動(dòng)汽車(chē)都采用直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但是其缺點(diǎn)較為明顯,長(zhǎng)期無(wú)法克服,目前的電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)基本將直流電機(jī)淘汰。
2)交流異步電動(dòng)機(jī)
①交流電動(dòng)機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3、圖4)
圖3 交流電動(dòng)機(jī)外形圖
圖4 交流電動(dòng)機(jī)零部件圖
②優(yōu)點(diǎn):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(méi)有相互接觸的機(jī)械部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠耐用,維修方便。交流異步電機(jī)具有效率高、比功率較大、適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)。
③缺點(diǎn):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(shí)要保證電機(jī)冷卻,同時(shí)異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)很復(fù)雜,電機(jī)本體的成本也偏高。與永磁式電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比,異步電機(jī)的效率和功率密度偏低,對(duì)于提高電動(dòng)汽車(chē)的最大行駛里程不利。
④基本趨勢(shì):交流異步電機(jī)是目前工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一類(lèi)電機(jī),已經(jīng)大規(guī)模化生產(chǎn)。目前不少電動(dòng)汽車(chē)廠家選用交流異步電機(jī)作為啟動(dòng)電機(jī),基本控制采用矢量控制的控制方式。在大型電動(dòng)公交車(chē)上的應(yīng)用上,交流異步電機(jī)生命力較強(qiáng)。
3)永磁式電動(dòng)機(jī)
①永磁式電動(dòng)機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5、圖6)
圖5永磁式電動(dòng)機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖6永磁式電動(dòng)機(jī)及控制器
②分類(lèi):永磁式電動(dòng)機(jī)根據(jù)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(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。
③優(yōu)點(diǎn):冷卻相對(duì)容易,工作時(shí)不會(huì)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。
④缺點(diǎn):永磁式電動(dòng)機(jī)的功率范圍較小,一般最大功率只有幾十千瓦。永磁材料會(huì)產(chǎn)生磁性衰退的現(xiàn)象,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(jī)及其控制系統(tǒng)成本較高。
⑤基本趨勢(shì):目前永磁電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)?yán)镆呀?jīng)是主流電機(jī)。
4)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)
①開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7)
圖7開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
②優(yōu)點(diǎn):開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)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(méi)有繞組,定子裝有簡(jiǎn)單的集中繞組,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)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)。
③缺點(diǎn):開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新型電機(jī),目前產(chǎn)品性能有待完善和提升。
④基本趨勢(shì):相比其他類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言,它具有直流調(diào)速系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電機(jī)使用。
⑤基本結(jié)論:作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)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(duì)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。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)是必然的趨勢(shì)。
五、電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配原則
1)用技術(shù)成熟的,但是不能用技術(shù)淘汰的產(chǎn)品;
2)用最新技術(shù)的,但是性能要穩(wěn)定的產(chǎn)品;
3)當(dāng)下電動(dòng)物流專(zhuān)用車(chē)原則上選用永磁同步電機(jī);
4)電動(dòng)車(chē)大客車(chē)原則上也選用永磁同步電機(jī),不過(guò)選用采用矢量控制的控制方式交流異步電機(jī),也是一種較好的方案。
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