電動汽車用電機(jī)的技術(shù)發(fā)展概況

目前世界上空氣污染最嚴(yán)重的10個城市中有7個在中國，而國家環(huán)保中心預(yù)測，2010年汽車尾氣排放量將占空氣污染源的64%。雖然，加劇使用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展汽車工業(yè)，將會給我國的能源安全和環(huán)境保護(hù)造成巨大的影響。為此，國家科技部啟動了十五863電動汽車重大專項。高密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機(jī)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，已被列為863電動汽車重大專項的共性關(guān)鍵技術(shù)課題。20世紀(jì)80年代前，幾乎所有的車輛牽引電機(jī)均為直流電機(jī)，這是因為直流牽引電機(jī)具有起步加速牽引力大，控制系統(tǒng)較簡單等優(yōu)點(diǎn)。直流電機(jī)的缺點(diǎn)是有機(jī)械換向器，當(dāng)在高速大負(fù)載下運(yùn)行時，換向器表面會產(chǎn)生火花，所以電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不能太高。由于直流電機(jī)的換向器需保養(yǎng)，又不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)，除小型車外，目前一般已不采用?！　?br />
近十年來，主要發(fā)展交流異步電機(jī)和無刷永磁電機(jī)系統(tǒng)。與原有的直流牽引電機(jī)系統(tǒng)相比，具有明顯優(yōu)勢，其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕（其比質(zhì)量為0.5-1.0kg/Kw）、效率高、基本免維護(hù)、調(diào)速范圍廣。其研究開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如下?！　?
1.異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)　 異步電機(jī)其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠，低轉(zhuǎn)矩脈動，低噪聲，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高。異步電機(jī)矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，使得異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，因此被較早應(yīng)用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，目前仍然是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流產(chǎn)品（尤其在美國），但已被其它新型無刷永磁牽引電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)逐步取代。最大缺點(diǎn)是驅(qū)動電路復(fù)雜，成本高；相對永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低?！　?
2.無刷永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)　 無刷永磁同步電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)，由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機(jī)中是強(qiáng)有力的競爭者，已在國內(nèi)外多種電動車輛中獲得應(yīng)用?！?nèi)置式永磁同步電機(jī)也稱為混合式永磁磁阻電機(jī)。該電機(jī)在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于弱磁調(diào)速，擴(kuò)大恒功率范圍運(yùn)行。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計理論正在不斷完善和繼續(xù)深入，該機(jī)結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計自由度大，有望得到高性能，適合用作電動汽車高效、高密度、寬調(diào)速牽引驅(qū)動。這些引起了各大汽車公司同行們的關(guān)注，特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞。當(dāng)前，美國汽車公司同行在新車型設(shè)計中主要采用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。 　　

表面凸出式永磁同步電機(jī)也稱為永磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)，相對內(nèi)置式永磁同步電機(jī)而言，其弱磁調(diào)速范圍小，功率密度低。該結(jié)構(gòu)電機(jī)動態(tài)響應(yīng)快，并可望得到低轉(zhuǎn)矩脈動，適合用作汽車的電子伺服驅(qū)動，如汽車電子動力方向盤的伺服電機(jī)。 無位置傳感器永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)也是當(dāng)前永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究的一個熱點(diǎn)，將成為永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一，具有潛在的競爭優(yōu)勢?！?

永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)低速時常采用矢量控制，高速時用弱磁控制。　　 3.新一代牽引電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)　　 從20世紀(jì)80年代開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)問世后，打破了傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計理論和正弦波電壓源供電方式；并隨著磁阻電機(jī)，永磁電機(jī)、電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)入一個新的黃金時代；新的電機(jī)拓樸結(jié)構(gòu)與控制方式層出不究，推出了新一代機(jī)電一體化電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)迅猛發(fā)展。高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調(diào)速牽引電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)已成為各國研究和開發(fā)的主要熱點(diǎn)之一?！　?

SRD開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合于高速運(yùn)行，并且驅(qū)動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限控制。這些特點(diǎn)使SRD開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)很適合電動車輛的各種工況下運(yùn)行，是電動車輛中極具有潛力的機(jī)種。SRD的最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機(jī)而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點(diǎn)是要使用位置傳感器，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低了可靠性。因此無傳感器的SRD也是未來的發(fā)展趨勢之一。