電動汽車用電機的技術發展概況

www.cq360.cn 來源：電動車信息網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-6-30

蒸汽機啟動了18世紀第一次產業革命以后，19世紀末到20世紀上半葉電機又引發了第二次產業革命，使人類進入了電氣化時代。20世紀下半葉的信息技術引發了第三次產業革命，使生產和消費從工業化向自動化、智能化時代轉變；推動了新一代高性能電機驅動系統與伺服系統的研究與發展。 21世紀伊始，世界(Mondi)汽車工業又站在了革命的門檻上。雖然，汽車工業是推動社會現代化進程的重要動力；然而，汽車工業的發展也帶來了環境污染愈烈和能源消耗過多兩大問題。而對于我國日益擴大的汽車市場(Rialto)，這種危機就更明顯。據了解，2000年我國進口汽油7000萬噸，預計2010年后將超過1億噸，相當于科威特一年的總產量。目前世界(Mondi)上空氣污染最嚴重的10個城市中有7個在中國，而國家環保中心預測，2010年汽車尾氣排放量將占空氣污染源的64%。雖然，加劇使用傳統內燃機技術發展汽車工業，將會給我國的能源安全和環境保護造成巨大的影響。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、寬調速的車輛牽引電機及其控制系統既是電動汽車的心臟又是電動汽車研制的關鍵技術之一，已被列為863電動汽車重大專項的共性關鍵技術課題。20世紀80年代前，幾乎所有的車輛牽引電機均為直流電機，這是因為直流牽引電機具有起步加速牽引力大，控制系統較簡單等優點。直流電機的缺點是有機械換向器，當在高速(High Speed)大負載下運行時，換向器表面會產生火花，所以電機的運轉不能太高。由于直流電機的換向器需保養，又不適合高速(High Speed)運轉，除小型車外，目前一般已不采用。近十年來，主要發展交流異步電機和無刷永磁電機系統。與原有的直流牽引電機系統相比，具有明顯優勢，其突出優點是體積小，質量輕（其比質量為0.5-1.0kg/Kw）、效率高、基本免維護、調速范圍廣。其研究開發現狀和發展趨勢如下。 1.異步電機驅動系統 ·異步電機其特點是結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，低轉矩脈動，低噪聲，不需要位置傳感器，轉速極限高。 ·異步電機矢量控制調速技術比較成熟，使得異步電機驅動系統具有明顯的優勢，因此被較早應用于電動汽車的驅動系統，目前仍然是電動汽車驅動系統的主流產品（尤其在美國），但已被其它新型無刷永磁牽引電機驅動系統逐步取代。 ·最大缺點是驅動電路復雜，成本高；相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低。 2.無刷永磁同步電機驅動系統無刷永磁同步電機可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍，發展前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機中是強有力的競爭者，已在國內外多種電動車輛中獲得應用。 ·內置式永磁同步電機也稱為混合式永磁磁阻電機。該電機在永磁轉矩的基礎上迭加了磁阻轉矩，磁阻轉矩的存在有助于提高電機的過載能力和功率密度，而且易于弱磁調速，擴大恒功率范圍運行。內置式永磁同步電機驅動系統的設計理論正在不斷完善和繼續深入，該機結構靈活，設計自由度大，有望得到高性能，適合用作電動汽車高效、高密度、寬調速牽引驅動。這些引起了各大汽車公司同行們的關注，特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞。當前，美國汽車公司同行在新車型設計中主要采用內置式永磁同步電機。　　·表面凸出式永磁同步電機也稱為永磁轉矩電機，相對內置式永磁同步電機而言，其弱磁調速范圍小，功率密度低。該結構電機動態響應快，并可望得到低轉矩脈動，適合用作汽車的電子伺服驅動，如汽車電子動力方向盤的伺服電機。　　 ·無位置傳感器永磁同步電機驅動系統也是當前永磁同步電機驅動系統研究的一個熱點，將成為永磁同步電機驅動系統的發展趨勢之一，具有潛在的競爭優勢。 ·永磁同步電機驅動系統低速時常采用矢量控制，高速(High Speed)時用弱磁控制。 3.新一代牽引電機驅動系統從20世紀80年代開關磁阻電機驅動系統問世后，打破了傳統的電機設計理論和正弦波電壓源供電方式；并隨著磁阻電機，永磁電機、電力電子技術和計算機技術的發展，交流電機驅動系統設計進入一個新的黃金時代；新的電機拓樸結構與控制方式層出不究，推出了新一代機電一體化電機驅動系統迅猛發展。高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調速牽引電機驅動系統已成為各國研究和開發的主要熱點之一。 ·SRD開關磁阻電機驅動系統的主要特點是電機結構緊湊牢固，適合于高速(High Speed)運行，并且驅動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉速范圍內效率都比較高，而且可以方便地實現四象限控制。這些特點使SRD開關磁阻電機驅動系統很適合電動車輛的各種工況下運行，是電動車輛中極具有潛力的機種。SRD的最大特點是轉矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點是要使用位置傳感器，增加了結構復雜性，降低了可靠性。因此無傳感器的SRD也是未來(Futura)的發展趨勢之一。 ·永磁式開關磁阻電機也稱為雙凸極永磁電機，永磁式開關磁阻電機可采用圓柱形徑向磁場結構、盤式軸向磁場結構和環形橫向磁場結構。該電機在磁阻轉矩的基礎上迭加了永磁轉矩，永磁轉矩的存在有助于提高電機的功率密度和減小轉矩脈動，以利于它在電動車輛驅動系統中應用。 ·轉子磁極分割型混合勵磁結構同步電機這一概念一提出就引起國際電工界和各大汽車公司研發中心的極大關注。轉子磁極分割型混合勵磁結構同步電機具有磁場控制能力，類似直流電機的低速助磁控制和高速(High Speed)弱磁控制，符合電動車輛牽引電機低速大力矩和恒功率寬調速的需求。目前該電機的研究處于探索階段，電機的機理和設計理論有待于進一步深入研究與完善，作為假選的電動車輛牽引電機具有較強的潛在的競爭優勢。　　此外，正在研發的熱點課題還有： ·具有磁場控制能力的永磁同步電機驅動系統；　　 ·車輪電機驅動系統； ·動力傳動一體化部件（電機、減速齒輪、傳動軸）； ·雙饋電異步電機驅動系統和雙饋電永磁同步電機驅動系統。 4.下一代汽車電子伺服系統及其車用伺服電機 1993年美國能源部、商務部、貿易部、國防部、環保局、宇航局、國家科學基金會七個政府部門下美國三個最大的汽車制造公司，克萊斯勒(佳士拿)、福特(Ford)和通用，建立了新一代車輛伙伴(Fellow)關系（PNGV，Partnership for a New Generation of Vehicles），目標是開發新一代機動車技術，以增強美國汽車工業的實力。1998年至2002年期間，美國國家自然科學基金（NSF）資助美國國家電力電子中心（由美國Virginia和美國Wisconsin等四所大學組建）研發車輛電子動力驅動系統、電子伺服控制系統和各種車輛專用IC模塊，提高汽車電子電氣部件的可靠性，降低其成本和搶占車輛電氣自動化技術的制高點，增強在國際市場(Rialto)的競爭力。線控的汽車電子伺服系統（X-by-wire）在未來(Futura)將是十分重要的技術，該技術可將各種獨立的系統（如轉向、制動、懸掛等）集成到一起由計算機調控，使汽車的操縱性、安全性以及汽車的總體結構大大改善，設計的靈活度也大大增加。目前，電子動力方向盤和線控剎車已經在一些歐洲車型上被采用，在這個系統中已經削減了相當多的機械部件，如液壓泵等。汽車電子伺服技術是具有革命性的技術，隨著這個技術的使用，許多傳統的機械部件將會在未來(Futura)的汽車上消失，而越來越多的車用伺服電機將出現在未來(Futura)的汽車上。全球最大的汽車零部件企業一美國德爾福汽車系統公司預計，在未來(Futura)的3-5年內全世界(Mondi)的汽車將逐步采用電子伺服驅動系統，如電子動力方向盤和線控剎車伺服驅動系統。目前，美國德爾福汽車系統公司正在全球范圍內尋找年產300萬臺以上的電子動力方向盤的交流伺服電機合作伙伴(Fellow)。