在新能源汽車,特別是混合動力新能源汽車中,電動機的安裝空間是十分有限的。與傳統工業電動機相較而言,車用電機的工作環境更為復雜和惡劣,往往充斥著振動大、沖擊強、灰塵多、腐蝕重并伴隨高溫、高濕等多項挑戰。
鑒于以上車用電動機會面臨的諸多挑戰,新能源汽車驅動電機則必須具備以下特殊要求:
1 體積小,重量輕:節省電機占用空間,降低電機裝備重量,從而優化整車裝備數據;
2 低速高扭矩和寬范圍的高速恒功率特性,即使沒有變速器,電機也要滿足需求扭矩大小;
3 高可靠性要求,在任何情況下都要保證高度的安全性;
4 電動車驅動電機需要4~5倍的過載以滿足短期加速或爬坡要求;
6 電機需要寬調速,要求在較寬的轉速范圍和扭矩范圍內(在整個運行范圍內)都有較高的效率,從而延長續駛里程;
7 電動機需要高功率密度和體積密度;
8 電機要求工作可控性高、穩態精度高、動態性能好;
9 電機價格合適,從而提高電動汽車的接受程度。
在新能源汽車用驅動電機的國內外發展歷程中,主要分成直流電機、三相交流異步感應電機、開關磁阻電機、永磁電機4大類。
1 直流電機
是指有刷竄勵或它勵直流電機。其原理是通過改變輸入電壓或電流實現對其轉矩的獨立控制,進行平滑調速。
優勢:具有良好的動態特性,啟動轉矩大,過載能力強,成本低,技術成熟;
劣勢:效率低,體積質量大,碳刷和換向器維護量大,且高速運行時滑環有火花,不宜高速運行。
2 交流電機
是矢量控制技術的應用,實現了交流電機的變頻控制,解決了交流電機控制難的問題。
優勢:結構簡單、效率高、可靠性高、轉矩脈動小、噪聲小、轉速高、體積小、易維護,使交流電機具有了類似于直流電機的優良性能,是目前技術相對較成熟的驅動電機。
劣勢:交流電機輕載效率低,解決電池向電機大電流供電以提高運行效率,并保持矢量控制下的快速動態響應是需要進一步解決的技術難題。
3 開關磁阻電機
由電磁阻電機和開關電路控制器組成的機電一體化的新型調速電機。它由可變磁阻步進電機直接衍生而來。電機工作時,依次使定子線圈中的電流導通或截止,電流變化形成的磁場吸引轉子的凸極而產生轉矩。
優勢:結構簡單,轉子上沒有繞組、磁鋼或滑環,可在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行,可靠性高,啟動和調速性好,控制簡單,成本低。
劣勢:該類電機磁極端部嚴重磁飽和以及溝槽的邊緣效應,使其設計和控制都非常困難,且轉矩波動大、噪聲大、需要位置傳感器檢測等,使該類電機的應用受到很大的限制。
4 永磁電機
主要指三相永磁同步電機和無刷直流電機。
優勢:永磁電機在各類驅動電機中,具有功率密度高、體積小、重量輕、結構簡單、控制靈活等優點。
劣勢:由于永磁電機轉子為永磁體,無法調節,必須通過調節定子電流、增加定子電流去磁分量來削弱磁場,這就使定子電流增大,銅耗增加。同時,磁性能受溫度、振動等因素的影響,如果工作范圍選擇不當,存在高溫退磁,電機運行有失步現象。過載能力受控制器的限制,電機制造工藝需深入探索、磁鋼價格較高等都是需要從技術上實現突破的關鍵。
因為我國占有全世界80%的稀土資源,隨著銣鐵錋材料性能的研究提高,以及電機設計、制造技術的不斷完善和制造成本的不斷下降,永磁電機的應用前景將逐步好轉。
四類電機特性比較 & 四類電機優、缺點及應用前景比較
表3-16四類電機特性比較
表3-17四類電機優、缺點及應用前景比較