關(guān)于新能源汽車上所用電機(jī)？

【專家解說(shuō)】：在HEV上是以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔助動(dòng)力，但又必須對(duì)電池組的質(zhì)量和整車的整備質(zhì)量進(jìn)行限制，以減輕HEV的總質(zhì)量。因此，一般電動(dòng)－發(fā)電機(jī)只是在HEV發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，車輛啟動(dòng)、加速或爬坡時(shí)起作用。電動(dòng)－發(fā)電機(jī)又是發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪，起調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率作用。電動(dòng)－發(fā)電機(jī)還起發(fā)電機(jī)的作用，電動(dòng)－發(fā)電機(jī)又是發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪，起調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率作用。電動(dòng)－發(fā)電機(jī)還起發(fā)電機(jī)的作用，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存到電池組中去。在HEV下坡或制動(dòng)時(shí)，將汽車慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存到電池組中去。因此，HEV有了電動(dòng)機(jī)的輔助作用，就可以使HEV達(dá)到節(jié)能和“超低污染”的要求。電動(dòng)機(jī)的種類很多，用途廣泛，功率的覆蓋面非常大。但HEV所采用的電動(dòng)機(jī)種類少，功率覆蓋面也較小。目前主要采用的交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，不管是電機(jī)本身還是它們的控制裝置，成本都比較高，但隨著電動(dòng)機(jī)的電子計(jì)算機(jī)控制和機(jī)電一體化的加速發(fā)展，很多新技術(shù)正逐步運(yùn)用到混合動(dòng)力汽車（HEV）的電動(dòng)機(jī)上，一旦形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，所用電機(jī)乃至整車的成本都會(huì)得到大大降低。 （1）混合動(dòng)力汽車用電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 蒸汽機(jī)啟動(dòng)了18世紀(jì)第一次產(chǎn)業(yè)革命以后，19世紀(jì)末到20世紀(jì)上半葉電機(jī)又引起了第二次產(chǎn)業(yè)革命，使人類進(jìn)入了電氣化時(shí)代。20世紀(jì)下半葉的信息技術(shù)引發(fā)了第三次產(chǎn)業(yè)革命，是生產(chǎn)和消費(fèi)從工業(yè)化向自動(dòng)化，智能化時(shí)代轉(zhuǎn)變；推動(dòng)了新一代高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的研究與發(fā)展。21世紀(jì)伊始，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(dòng)社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的重要?jiǎng)恿?，然而，汽車工業(yè)的發(fā)展也帶來(lái)了環(huán)境污染愈烈和能源消耗過(guò)多兩大問(wèn)題。顯然，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(huì)使這兩大全球問(wèn)題繼續(xù)惡化。于是，電動(dòng)車（包括純電動(dòng)車，混合動(dòng)力汽車，燃料電池電動(dòng)車）概念的提出，將會(huì)是未來(lái)世界汽車工業(yè)發(fā)展的新方向，不過(guò)就當(dāng)今世界科技水平來(lái)說(shuō)，混合動(dòng)力汽車的研究與開發(fā)相比其它兩種形式更具有現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)該作為這一新方向的第一步。20世紀(jì)80年代前，幾乎所有的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)均為直流電機(jī)，但隨著電動(dòng)車（混合動(dòng)力汽車）性能的提高，其在高負(fù)載下轉(zhuǎn)速的限制，體積大等缺點(diǎn)逐漸暴露，取而代之的是交流異步電機(jī)，永磁電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)以及新型的雙凸極永磁電機(jī)，而上述電機(jī)在用于混合動(dòng)力汽車上所表現(xiàn)出來(lái)的性能也是一個(gè)比一個(gè)優(yōu)越。目前，雙凸極永磁電機(jī)的機(jī)理和設(shè)計(jì)控制理論還有待于進(jìn)一步的研究與完善，不過(guò)它作為混合動(dòng)力汽車的電動(dòng)機(jī)有著潛在的巨大優(yōu)勢(shì)。 （2）混合動(dòng)力汽車對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求 a.從日本汽車公司開發(fā)電動(dòng)汽車的研究和實(shí)踐認(rèn)為，在采用大功率的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)HEV時(shí)，與采用小功率的電動(dòng)機(jī)比較，具有電阻小，效率高，比能耗低，動(dòng)力性能好等優(yōu)點(diǎn)。但在目前的條件下，各種電池的比能量較小，理所當(dāng)然地采用小功率的電動(dòng)機(jī)，因而出現(xiàn)電阻大，效率低，比能耗高，動(dòng)力性能差等問(wèn)題。 b.混合動(dòng)力汽車的電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較大范圍內(nèi)的調(diào)速性能，能夠根據(jù)駕駛員對(duì)加速踏板和對(duì)制動(dòng)踏板的控制，由中央控制器控制電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間動(dòng)力的協(xié)調(diào)。以獲得所需要的起動(dòng)、加速、行駛、減速、制動(dòng)等所需的功率與轉(zhuǎn)矩，使它們達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)汽車加速踏板同樣的控制效果。 c.混合動(dòng)力汽車應(yīng)具有最優(yōu)化的能量利用，電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有高效率、低損耗，并在車輛減速時(shí)實(shí)現(xiàn)能量回收并反饋回蓄電池，這點(diǎn)在內(nèi)燃機(jī)汽車上是不能實(shí)現(xiàn)的。 d.電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，各種控制裝置的質(zhì)量和冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量等也要求盡可能小，因此，大功率的高速電動(dòng)機(jī)具有高性能，質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，在混合動(dòng)力汽車得到了廣泛地應(yīng)用。另外，還要求電動(dòng)機(jī)及控制裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲要低。 e．各種電動(dòng)機(jī)的電壓，可以達(dá)到120～500V，對(duì)電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性，都必須符合國(guó)家（或國(guó)際）有關(guān)車輛電氣控制的安全性能的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，裝置高壓保護(hù)設(shè)備。 除此之外，還要求電動(dòng)機(jī)可靠性好，耐溫和耐潮性能強(qiáng)，能夠在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維修方便，價(jià)格便宜等。 （3）混合動(dòng)力汽車所用電動(dòng)機(jī)的選擇策略 在確定混合動(dòng)力汽車所采用的電動(dòng)機(jī)時(shí)，首先應(yīng)采用技術(shù)成熟，性能可靠，控制方便和價(jià)格便宜的現(xiàn)成的電動(dòng)機(jī)。一般情況下，電動(dòng)機(jī)性能必須充分滿足單獨(dú)用電力驅(qū)動(dòng)模式行駛工況時(shí)的要求。電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)應(yīng)具有大的轉(zhuǎn)矩和超載能力。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)具有大的功率和有較寬闊的恒功率范圍。有足夠的動(dòng)力性能來(lái)克服整車的各種阻力，保證其有良好的起動(dòng)，加速性能和行駛速度及實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)的能量回收?，F(xiàn)在混合動(dòng)力汽車上，主要采用能夠?qū)崿F(xiàn)變頻、調(diào)速的高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1萬(wàn)～1.2萬(wàn)r/min，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有更大的功率和有較寬闊的恒功率范圍，體積較小和質(zhì)量較小，但要求裝置高精度的高速軸襯，需要用高品質(zhì)的材質(zhì)來(lái)制作，并要保證高效率的冷卻。 （4）雙凸極永磁電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)介 傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）雖然可靠性較高，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，單位體積功率與異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)或略高一些，而且在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)都具有相當(dāng)高的效率，但是，從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)看，SR電機(jī)在定子繞組的一個(gè)開關(guān)周期中，最多只有半個(gè)周期得到利用，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為避免在電感下降區(qū)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，繞組電流的關(guān)斷角不得不較多地提前于最大電感位置，半個(gè)周期都未能得到充分利用。因此，SR電機(jī)僅獲得“一半的利用率”，由此產(chǎn)生了換流問(wèn)題和相對(duì)材料利用率低問(wèn)題?？梢灶A(yù)見(jiàn)，如果能利用定子繞組整個(gè)開關(guān)周期，在電感下降區(qū)也能產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，SR電機(jī)的單位體積功率必將大大提高，但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SR電機(jī)是難以實(shí)現(xiàn)的。如果在SR電機(jī)中用永磁材料預(yù)先建立一個(gè)磁場(chǎng)，通過(guò)控制定子繞組的電流方向，使永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，就能實(shí)現(xiàn)在電感下降區(qū)產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩的設(shè)想。我國(guó)稀土材料的儲(chǔ)存量為世界第一，釹鐵硼等高性能稀土永磁材料在電機(jī)領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用，大大提高了電機(jī)性能，但在SR電機(jī)上的實(shí)踐才剛剛開始。 雙凸極永磁電動(dòng)機(jī)(Doubly salient permanent magnet motor,簡(jiǎn)稱DSPM)，是隨著功率電子學(xué)和微電子學(xué)的飛速發(fā)展在90年代剛剛出現(xiàn)的一種新型的機(jī)電一體化可控交流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由雙凸極永磁電機(jī)、功率變換器、位置傳感器和控制器四部分組成。電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外形與開關(guān)磁阻電機(jī)相似,呈雙凸極結(jié)構(gòu),但它在轉(zhuǎn)子(或定子)上放有永磁體,從而使運(yùn)行原理和控制策略與開關(guān)磁阻電機(jī)有本質(zhì)區(qū)別。DSPM系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩/電流比大,可實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性,功率因數(shù)接近于1,效率高,是電工學(xué)科近年來(lái)繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后又一全新的研究方向。DSPM電機(jī)作為一種應(yīng)用前景看好的交流調(diào)速系統(tǒng),是由美國(guó)著名電機(jī)專家T.A.Lipo等人于1992年首先提出的,并進(jìn)行了初步的理論和實(shí)驗(yàn)研究,此后歐美一些國(guó)家也相繼開展了對(duì)DSPM電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研制工作,目前國(guó)際上對(duì)DSPM電機(jī)的研究?jī)H停留在初步理論和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段。關(guān)于DSPM電機(jī)仍有大量的基礎(chǔ)理論問(wèn)題,包括電機(jī)參數(shù)計(jì)算,模型建立,分析方法,控制策略等有待深入探討。