- 新能源汽車四種常用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)詳解

3、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用

隨著近些年來(lái)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、稀土永磁材料、傳感器技術(shù)與電機(jī)控制理論的快速發(fā)展，使得交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)逐漸成熟。

相比于現(xiàn)有串勵(lì)或者并勵(lì)有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，永磁無(wú)刷電機(jī)擁有功率密度大、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且采用永磁無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本較低；采用全數(shù)字化和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)器接口靈活，控制能力更強(qiáng)，操作更加舒適；應(yīng)用能量回饋制動(dòng)技術(shù)，可以減少剎車片的磨損，同時(shí)又增加汽車?yán)m(xù)駛里程。

因此，基于電動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展需要和技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)可靠、低成本、性能優(yōu)良的全數(shù)字化電動(dòng)汽車永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(1)永磁同步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場(chǎng)有兩種方法。一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種方法既需要有專門的繞組和相應(yīng)的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動(dòng)，例如普通的直流電機(jī)和同步電機(jī)。另一種是由永磁體來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種方法既可簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)的電機(jī)就是永磁電機(jī)。

它利用永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。同步發(fā)電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，需要有一個(gè)直流磁場(chǎng)而產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的直流電流，稱為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。根據(jù)勵(lì)磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵(lì)磁電流的發(fā)電機(jī)，稱為他勵(lì)發(fā)電機(jī)，從發(fā)電機(jī)本身獲得勵(lì)磁電源的，則稱為自勵(lì)發(fā)電機(jī)。

(2)永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)大，效率高，功率密度大；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，使用壽命較長(zhǎng)、可靠性高；調(diào)速性能好，精度高；具有良好的瞬時(shí)特性，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，響應(yīng)速度快；頻率高，輸出轉(zhuǎn)矩大，極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能優(yōu)于其他類型的電機(jī)；采用電子功率器件作為換向裝置，驅(qū)動(dòng)靈活，可控性強(qiáng)；形狀和尺寸靈活多樣，便于進(jìn)行外形設(shè)計(jì)；采用稀土永磁材料后電機(jī)的體積小、質(zhì)量輕。

但是永磁同步電動(dòng)機(jī)也有以下缺點(diǎn)：電機(jī)造價(jià)較高；在恒功率模式下，操縱較為復(fù)雜，控制系統(tǒng)成本較高；弱磁能力差，調(diào)速范圍有限；功率范圍較小，受磁材料工藝的影響和限制，最大功率僅為幾十千瓦；低速時(shí)額定電流較大，損耗大，效率較低；永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過(guò)載。永磁材料磁場(chǎng)不可變，要想增大電機(jī)的功率，其體積會(huì)很大；抗腐蝕性差；不易裝配。

(3)永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)越性

①轉(zhuǎn)矩、功率密度大、起動(dòng)力矩大。永磁電機(jī)氣隙磁密度可大大提高，電機(jī)指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，使得電機(jī)體積縮小、重量減輕，同容量的稀土永磁電機(jī)體積、重量、所用材料可以減輕30%左右。永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在汽車啟動(dòng)時(shí)能提供有效地啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足汽車的運(yùn)行需求。

②力能指標(biāo)好。Y系列電機(jī)在60%的負(fù)荷下工作時(shí),效率下降15%,功率因數(shù)下降30%，力能指標(biāo)下降40%。而永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微,當(dāng)電機(jī)只有20%負(fù)荷時(shí),其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的80%以上。同時(shí)永磁無(wú)刷同步電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長(zhǎng),一直延伸到電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的50%左右,這對(duì)提高汽車的低速動(dòng)力性能有很大幫助。

③高效節(jié)能。在轉(zhuǎn)子上嵌入稀土永磁材料后,在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子繞組無(wú)感生電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗,提高了電機(jī)效率。永磁電機(jī)不但可減小電阻損耗,還能有效地提高功率因數(shù)。如在25%-120%額定負(fù)載范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)均可保持較高的效率和功率因素。

④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。用永磁材料勵(lì)磁,可將原勵(lì)磁電機(jī)中勵(lì)磁線圈由一塊或多塊永磁體替代,零部件大量減少,在結(jié)構(gòu)上大大簡(jiǎn)化，改善了電機(jī)的工藝性,而且電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械可靠性大為增強(qiáng),壽命增加。轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無(wú)功電流，電機(jī)溫升低,這樣也可以使整車?yán)鋮s系統(tǒng)的負(fù)荷降低,進(jìn)一步提高整車運(yùn)行的效率。

(4)永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)

永磁電機(jī)的控制技術(shù)與感應(yīng)電機(jī)類似，控制策略上主要集中在提高低速轉(zhuǎn)矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步電機(jī)低速時(shí)常采用矢量控制，包括氣隙磁場(chǎng)定向、轉(zhuǎn)子磁鏈定向、定子磁鏈定向等；而在高速運(yùn)行時(shí)，永磁同步電機(jī)通常采用弱磁控制。

(5)永磁電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

稀土永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、檢測(cè)技術(shù)和制造工藝正不斷地完善和發(fā)展,永磁材料的性能和可靠性正不斷地提高。電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。隨著未來(lái)混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展,永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)將迎來(lái)一個(gè)更為快速發(fā)展的時(shí)期,其發(fā)展趨勢(shì)也將呈現(xiàn)以下特點(diǎn):高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高可控性、高效率、高性能、高價(jià)格比等,以滿足混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的實(shí)際需求。

4、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用

(1)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SwitchedReluctanceDrive：SRD)是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的最新一代無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)為一體的光、機(jī)、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

開關(guān)磁阻電機(jī)覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。使的開關(guān)磁阻電機(jī)存在許多潛在的領(lǐng)域，在各種需要調(diào)速和高效率的場(chǎng)合均能得到廣泛使用(電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、通用工業(yè)、家用電器、紡織機(jī)械、電力傳動(dòng)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域)。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)工作原理：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。

(2)開關(guān)磁阻電機(jī)特點(diǎn)

它的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動(dòng)機(jī)都要簡(jiǎn)單，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、繞組和永磁體等，只是在定子上有簡(jiǎn)單的集中繞組，繞組的端部較短，沒有相間跨接線，維護(hù)修理容易。因而可靠性好，轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min。效率可達(dá)85%～93%呢，比交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要高。損耗主要在定子，電機(jī)易于冷卻；轉(zhuǎn)子元永磁體，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性，而且在很廣的范圍內(nèi)保持高效率。更加適合電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求。

開關(guān)磁阻電機(jī)還具有在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、可四象運(yùn)行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。工藝性好，適用于高速，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向與繞組電流的方向無(wú)關(guān)；適用于頻繁啟停以及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行；啟動(dòng)電流小，轉(zhuǎn)矩大；可控參數(shù)多，調(diào)速性能好；具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力；定子和轉(zhuǎn)子的材料均采用硅鋼片，易于獲取和回收利用。

但開關(guān)磁阻電機(jī)有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、需要位置檢測(cè)器、系統(tǒng)非線性特性，磁場(chǎng)為跳躍性旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)復(fù)雜；對(duì)直流電源會(huì)產(chǎn)生很大的脈沖電流等缺點(diǎn)。位置檢測(cè)器是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵器件，其性能對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制操作有重要影響。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，噪聲是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最主要的缺點(diǎn)。

但近年來(lái)的研究表明，采用合理的設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，功率變換器的直流電流波動(dòng)也較大，所以在直流母線上需要裝置一個(gè)很大的濾波電容器。

(3)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)，它涉及到電動(dòng)機(jī)，電力電子，微機(jī)，控制，光電轉(zhuǎn)換，角度測(cè)量等等多學(xué)科知識(shí)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)要求也比較獨(dú)特，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方法通常難以滿足系統(tǒng)的控制要求。目前電動(dòng)汽車應(yīng)用較少。它的主要研究方向是模型研究。

由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有明顯的非線性特性，系統(tǒng)難于建模，一般的線性控制方式不適于開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)。目前主要利用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

它的控制系統(tǒng)包括功率變換器、控制器和位置傳感器及速度檢測(cè)器等部分。

①功率變換器

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，無(wú)論通過(guò)正向電流或反向電流，其轉(zhuǎn)矩方向不變，期換向，每相只需要一個(gè)容量較小的功率開關(guān)管，功率變換器電路較簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)直通故障，可靠性好，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力。成本比交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的逆變器控制系統(tǒng)要低。

②控制器

控制器由微處理器、數(shù)字邏輯電路等元件組成。微處理器根據(jù)駕駛員輸入的命令，同時(shí)對(duì)位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器所反饋的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)行分析、處理，并在瞬間做出決策，發(fā)出一系列執(zhí)行命令，來(lái)控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)適應(yīng)電動(dòng)汽車不同條件下運(yùn)行。控制器性能好壞和調(diào)節(jié)的靈活性，取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關(guān)系。

③位置檢測(cè)器

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)需要高精度的位置檢測(cè)器，來(lái)為控制系統(tǒng)提供電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速和電流的變化信號(hào)，并要求有較高的開關(guān)頻率以降低開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲。