電動汽車電機

1、電動汽車電機一、概述 歷史上的三次產(chǎn)業(yè)革命：18世紀，蒸汽機啟動了第一次產(chǎn)業(yè)革命；19世紀末到20世紀上半葉，電機又引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命，使人類進入了電氣化時代。20世紀下半葉的信息技術(shù)引發(fā)了第三次產(chǎn)業(yè)革命，使生產(chǎn)和消費從工業(yè)化向自動化、智能化時代轉(zhuǎn)變；推動了新一代高性能電機驅(qū)動系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的研究與發(fā)展。伺服電機及其控制系統(tǒng)在我們的各種設備上已大量應用。21世紀開始，世界汽車工業(yè)又站在了革命的門檻上。雖然，汽車工業(yè)是推動社會現(xiàn)代化進程的重要動力；然而，汽車工業(yè)的發(fā)展也帶來了環(huán)境污染愈烈和能源消耗過多兩大問題。1、在我國，汽車排放的污染已經(jīng)成為城市大氣污染的重要因素，目前世界上空氣污染最嚴重的

2、10個城市中有7個在中國，我國的二氧化碳排放目前已居全球第二，減排二氧化碳的壓力將越來越大。而國家環(huán)保中心預測，2010年汽車尾氣排放量將占空氣污染源的64%。2、近年來，我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，已成為世界第四大汽車生產(chǎn)國和第三大汽車消費國。根據(jù)國務院發(fā)展研究中心估計，2010年，我國的汽車保有量將接近6千萬輛，2020年將達到1.4億輛，機動車的燃油需求分別為1.38億噸和2.56億噸，為當年全國石油總需求的43%和57%。我國的石油資源短缺，目前石油進口量以每年兩位數(shù)字的百分比增長，預計到2010年進口依存度將接近50%。 因此大力發(fā)展新能源汽車是實現(xiàn)我國能源安全、環(huán)境保護以及中國汽車工業(yè)

3、實現(xiàn)跨越式、可持續(xù)發(fā)展的需要。而高密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機及其控制系統(tǒng)既是電動汽車的心臟又是電動汽車研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，被列為863電動汽車重大專項的共性關(guān)鍵技術(shù)課題。二、電機和電動機1、定義：電機：泛指能使機械能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為機械能的一切機器。特指發(fā)電機、電能機、電動機。電動機：俗稱馬達，是一種將電能轉(zhuǎn)化成機械能，并可再使用機械能產(chǎn)生動能，用來驅(qū)動其他裝置的電氣設備。由于電動汽車采用動力電池作為車載能源，其容量受到限制，為盡可能的延長續(xù)駛里程，大多數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)都采用了能量回饋技術(shù)，即在汽車制動時，通過控制器將車輪損耗的動能反饋到電池中，并使電機處于發(fā)電狀態(tài)，將發(fā)出的電輸送到電

4、池中。因此，電動汽車的驅(qū)動機應該稱為電機，而不是我們習慣稱呼的電動機。例如中大青山采用的雙定子磁懸浮復合轉(zhuǎn)子電機既能將電能轉(zhuǎn)化為機械能，又能將機械能轉(zhuǎn)化為電能。2、電機的分類：除了發(fā)電功能外，電動汽車的電機主要還是起電動機的作用，所以我們以電動機來分類：（只作簡單分類）1）、按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。直流電機：按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電機和有刷直流電機。又可分為永磁直流電機和電磁直流電機。永磁直流電機按材料又分為稀土、鐵氧體、鋁鎳鈷永磁直流電機。電磁直流電機按勵磁方式又分為串勵、并勵、他勵和復勵直流電機。 交流電機可分：單相電機和三相電機2）、按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：

5、可分為直流電機、異步電機、同步電機。異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。同步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負載大小無關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速3）、按用途分，有驅(qū)動電機和控制用電機。4）、按運轉(zhuǎn)速度分，有高速電機、低速電機、恒速電機和調(diào)速電機。低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。3、電機的工作原理：1）、交流電機：單相異步電機通過電容移相作用，將單相交流電分離出另一相相位差90度的交流電。將這兩相交流電分別送入兩組或四組電機線圈繞組，就在電機內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的磁場，旋轉(zhuǎn)磁場在電機轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生感應電流，感應電流產(chǎn)生的磁場與旋轉(zhuǎn)磁場方向相反，被旋轉(zhuǎn)磁場推拉進入旋轉(zhuǎn)狀

6、態(tài)，由于轉(zhuǎn)子必須切割磁力線才能產(chǎn)生感應電流，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須低于旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)速，故稱異步電機。 三相異步電機不必通過電容移相，本身就有相差120度的三相交流電，故產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場更均勻，效率更高。 永磁同步交流電動機的磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子線圈通過電刷供電，轉(zhuǎn)速與交流電頻率為整倍數(shù)（分數(shù)）關(guān)系（視轉(zhuǎn)子線圈繞組數(shù)而定），故稱同步電機。 轉(zhuǎn)子線圈通過電刷供電，定子通過線圈繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的電機，按轉(zhuǎn)子線圈與定子線圈的串、并聯(lián)關(guān)系分別稱串勵、并勵電機。2）、直流電機“直流電機有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子上有磁極（繞組式或永磁式），轉(zhuǎn)子有繞組，通電后，轉(zhuǎn)子上形成磁場（磁極），定子和轉(zhuǎn)子的磁極之間有一個夾

7、角，在定轉(zhuǎn)子磁場（N極和S極之間）的相互吸引下，使電機旋轉(zhuǎn)。改變電刷的位置，就可以改變定轉(zhuǎn)子磁極夾角（假設以定子的磁極為夾角起始邊，轉(zhuǎn)子的磁極為另一邊，由轉(zhuǎn)子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機的旋轉(zhuǎn)方向）的方向，從而改變電機的旋轉(zhuǎn)方向.4、電機的結(jié)構(gòu)：我們只講直流電機。1）、永磁式直流電機：由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成。定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結(jié)構(gòu)形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成， 漆包線繞在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間（三槽即有三個繞組），其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。電刷是連接電源與轉(zhuǎn)子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種

8、性能。永磁電機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。2）、無刷直流電機：由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。無刷直流電機的特點是無刷，采用半導體開關(guān)器件（如霍爾元件）來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點。位置傳感器按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進行繞組電流切換）。位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。 采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳

9、感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返龋┭b在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。電動汽車多用的是霍爾元件。采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。 采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等），當永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號（其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。定子繞組的工作電壓由位置

10、傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。三、電動汽車驅(qū)動電機的特性和要求用于電動汽車的驅(qū)動電機與常規(guī)的工業(yè)電機不同。電動汽車的驅(qū)動電機通常要求頻繁的啟動/停車、加速/減速，低速或爬坡時要求高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時要求低轉(zhuǎn)矩，并要求變速范圍大。而工業(yè)電機通常優(yōu)化在額定的工作點。因此，電動汽車驅(qū)動電機比較獨特，應單獨歸為一類。他們在負載要求、技術(shù)性能和工作環(huán)境等方面有著特殊的要求：1、電動汽車驅(qū)動電機需要有4-5倍的過載以滿足短時加速或爬坡的要求；而工業(yè)電機只要求有2倍的過載就可以了。2、電動汽車的最高轉(zhuǎn)速要求達到在公路上巡航時基本速度的4-5倍，而工業(yè)電機只需要達到恒功率是基本速度的2倍即可。3、電動汽車驅(qū)

11、動電機需要根據(jù)車型和駕駛員的駕駛習慣設計，而工業(yè)電機只需根據(jù)典型的工作模式設計。4、電動汽車驅(qū)動電機要求有高度功率密度（一般要求達到1kg/kw以內(nèi)）和好的效率圖（在較寬的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率），從而能夠降低車重，延長續(xù)駛里程；而工業(yè)電機通常對功率密度、效率和成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行優(yōu)化。5、電動汽車驅(qū)動電機要求工作可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好；而工業(yè)電機只有某一種特定的性能要求。6、電動汽車驅(qū)動電機被裝在機動車上，空間小，工作在高溫、壞天氣、及頻繁振動等等惡劣環(huán)境下。而工業(yè)電機通常在某一個固定位置工作。因此，我們在電動汽車驅(qū)動電機的選型或設計時，應當綜合

12、考慮上述要求。四、目前的電動汽車驅(qū)動電機介紹1、直流電機：習慣上把有換向器的直流電機稱為直流電機。優(yōu)點是其電磁繞組的磁場與電樞繞組的磁場是垂直的，因而其控制原理非常簡單；通過用永磁材料代替勵磁繞組后，就變成了永磁直流電機。由于有效的利用了徑向空間，使定子的直徑大大減小，并且沒有磁場損失，提高了功率密度和效率。但缺點是由于有換向器和電刷，使它的可靠性降低（火花和碳粉），且需要定期專業(yè)維護。2、永磁無刷直流電機：通過改變永磁直流電機的定子和轉(zhuǎn)子的位置，就可以得到永磁無刷直流電機。需注意到是“直流”這個術(shù)語會引起誤解，因為它并不是指直流電機，實際上它采用交流方波供電，所以也稱為永磁無刷方波電機。它最

13、大的優(yōu)點是無刷，消除了電刷帶來的許多問題。而且方波電流方波磁場相互作用可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。佛山照明沈大衛(wèi)教授給的全稱就是“永磁無刷方波力矩電機”。3、永磁無刷同步電機：用永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步電機的勵磁繞組，就能去掉傳統(tǒng)的電刷、滑環(huán)和勵磁繞組的銅損，由于采用正弦交流電及無刷結(jié)構(gòu)，又叫永磁無刷交流電機。其優(yōu)點是高能量密度和高效率，其恒功率區(qū)域有更寬的轉(zhuǎn)速范圍，并可以以矢量控制方法來滿足電動汽車的高性能要求。如南車時代的電機。需要說明的是，電動汽車驅(qū)動電機的控制技術(shù)非常重要，由其他老師專題講。五、電機的安裝1、電動汽車電機必須符合GBT18488.1-2006電動汽車電機及控制器-第一部分：技術(shù)條件和GTB18488.2-2006電動汽車電機及控制器-第二部分：試驗方法的要求，并通過國家檢測。2、安裝前的檢查：1）檢查電機的外表有無裂紋，各緊固螺釘及零件是否齊全，電機的固定情況是否良好。 2）檢查電機傳動機構(gòu)的工作是否可靠。 3）根據(jù)銘牌所示數(shù)據(jù)，如電壓、功率、頻率、聯(lián)結(jié)、轉(zhuǎn)速等與電源、負載