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混合式步进电机峰值转速是驱动电机的重要指标2020-08-12 15:05

  驱动电机:被应用在电动汽车上,用来驱动车轮进行运动的电机。基本原理是通过电磁感应,实现机电能量转换或传递。

  为满足汽车行驶时的舒适性、经济性、动力性、续航里程及性价比等性能要求,车辆用电动机与工业用电动机有着显著的区别,具体如下:

  转矩密度、功率密度分别是指转矩体积比和功率体积比。在满足机械强度的基础上,应尽可能采取铝合金等轻量化材料,以减少自重;控制器等元件也应该尽可能集成,以减少体积。

  单次充电后应有较高的行驶里程,且在整个行驶过程当中能适应较复杂路况及行驶方式,并且在较低负荷时也应具有较高的工作效率,即高效工作区域应该较宽广。

  为了适应车辆频繁的起动、加速、匀速行驶、减速、负载、负载爬坡、超车、刹车等复合工况所需要的转矩和功率,以减轻驾驶员的人工作业强度,提升驾驶作业的舒适性,并且达到与内燃机汽车具有同样的控制响应性能,因此,电动机必须具自动调速特性。

  为了减小高压部分的工作电流,减小电机和导线尺寸,降低逆变器的成本并提高能量转换效率,在国标允许的安全范围内,应该尽可能做到采用高压电进行输出,因此,驱动电机和电池的工作电压相对较高。

  目前常用的电机为无刷直流电动机、永磁同步电动机、鼠笼式异步电动机、开关磁阻电机。常见四种电机性能对比如表2所示。

  综合各项对比,目前交流感应电机和永磁同步电机在电动车上的应用较为广泛。下面着重论述永磁同步电机。

  由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机被称为永磁同步电机。永磁体作为转子部分来产生旋转磁场,而三相定子绕组在旋转磁场的作用下通过电枢反应,感应来产生三相对称电流。将转子的机械能(动能)转化为电能,永磁同步电机被当做发电机(G)来使用;由于三相定子在空间位置上相差120,当在定子侧输入三相对称电流时,三相定子电流会在空间中产生旋转的磁场,转子在旋转的磁场中受到了电磁力作用产生运动,此时电能被转化为动能,永磁同步电机可作电动机(M)使用。

  一般将定子、转子、端盖以及各传感器等部件进行分装,形成永磁同步电机。永磁同步电机的定子结构与一般普通的感应电机的结构极为相似,但永磁同步电机的转子部分与其它电机有着极为明显的差异——在转子上有质量较为优良的永磁体磁极。根据永磁体在转子上的安放位置的不同,永磁同步电机一般分为三大类:面贴式、内嵌式和插入式。

  定子:定子主要由铁心、线圈组成;定子铁心由冲片叠压而成;漆包线绕制成线圈,嵌入铁心槽内,再进行绝缘处理;将绝缘处理后的铁心套入机壳得到定子。

  磁钢(NdFeB):电机磁通由磁钢提供,对电机性能影响;钕铁硼磁体由粉末冶金法制成,是目前磁性能的磁性材料;优点是高抗退磁性、高性价比,其缺点是温度依赖性比较强,耐腐蚀性能比较弱,需适当涂层或电镀处理。

  机座:由于电机功率大、体积小,因此发热量大,为便于散热,机座内含冷却水道。常见水道形式如下:

  冷却水道拐弯处180度的方向很容易造成较大的能量损失,需要提供较大的入口水压。

  为了使得电机的进出口端温度产生温度梯度,形成温度差,一般会将冷却水的进水口和出水口设计在电机的左右两端。

  冲片:汽车电机的转速范围宽,由于定子铁芯中磁通的变化率与电机的转速成正比,铁芯中磁场交变频率较高,而单位损耗与频率的1.3~1.5次方成比例。由于需保持高功率密度,铁芯中的磁通密度相同,电机高速电机的单位铁耗将剧増。为降低铁耗需采用低损耗的铁芯材料。

  (1)作为电动汽车的三大核心部件之一,电机驱动系统是车辆行驶的主要执行机构,对车辆的主要性能指标起决定性作用,电机驱动系统直接影响车辆的舒适性、动力性和经济性。

  (2)采用三相交流永磁电动机(DM)、电机控制器(MCU)可调整输出电流和电动机转速,电机和电机控制器采用水冷方式防止温度过高。

  (3)整车控制器(VCU)要能够根据驾驶员的意图来发出各种操作指令,电机控制器完成响应并进行反馈,以便于实时调整驱动电机输出,实现整车的各项驱动功能。

  对驱动电机系统实时进行状态和故障检测并进行通信和保护以及故障反馈,是电机控制器的另一重要功能。

  在控制器方面:会推出越来越多的电力电子总成(控制器、功率器件、传感器、电源等),这也是未来批量化、通用化、模块化发展的趋势所在。

  采用矢量控制的驱动控制系统以便实现更加宽广的调速范围。永磁电机具有转矩密度和功率密度高、比功率较大、效率高、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点。永磁化将成为电机发展的重要方向之一。

  程度的使用软件来代替硬件部分,实现通讯、诊断、保护、监控等功能,控制系统数字化是电机驱动技术发展的必然趋势。

  整体来看,我国驱动电机取得较大进展,已经自主开发出满足各类新能源汽车需求的产品,部分主要性能指标已达到相同功率等级的国际先进水平。但是在峰值转速、功率密度及效率方面与国外仍存在一定的差距

  峰值转速是驱动电机的重要指标,也是目前国内驱动电机较之国外电机差距为明显的指标。国内绝大部分永磁同步电机的峰值转速在 10000 rpm 以下,而国外基本在10000 rpm 以上。

  虽然国内电机在功率方面基本能够达到国际水平,但是在同功率条件下存在重量劣势,因此功率密度较之国际水平存在较大差距。目前,国内的永磁同步电机功率密度多处于 1~2 kw/kg 区间内,与 2020 年 3.5 kw/kg 的目标值存在较大差距。

  在电机效率方面,国内电机的效率均达到 94%~96%,已达到西门子、Remy 等企业的水平。但是在高效区面积方面,如系统效率大于 80% 的区域占比方面尚存在一定差距。我国电机的高效区面积占比集中在 70%~75%,而国外电机基本达到 80%。

  电机的冷却方式已经从自然冷却逐步发展为水冷,目前国内电机企业采用水冷为主,国外先进的电机企业已经发展到油冷电机。国内部分电机企业也研发出油冷电机,如精进等,使电机的冷却效率得到进一步提升。