浅析新能源汽车驱动电机

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1 驱动电机基本特性

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:

表1 车辆用电动机与工业用电动机区别

因此车用电机的基本特性如下:

(1)体积小,质量轻。功率转矩密度大

转矩密度、功率密度分别是指最大转矩体积比和最大功率体积比。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。

(2)效率高,高效区域广

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。

(3)具有较大的起动转矩以及较宽广的调速范围

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,电动机必须具备自动调速特性。

(4)高安全性

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。

(5)能量转化

能够将电能转化成机械能,也可对机械能进行回收再利用,并将其转化为电能。

2 驱动电机分类

图1 驱动电机分类

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。

转子:转子由铁心、磁钢、轴压装而成。

图2 永磁同步电机构造

磁钢(NdFeB):电机磁通由磁钢提供,对电机性能影响最大;钕铁硼磁体由粉末冶金法制成,是目前磁性能最高的磁性材料;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:

(1)轴向水道(Z字型)

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。

(2)周向水道(螺旋管型)

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。

图3 机座冷却水道形式

表3 国内外驱动电机企业的永磁同步电机参数比较

在技术指标方面,国内电机与国外电机相比尚存在以下几方面的差距:

① 峰值转速

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最为明显的指标。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。

② 功率密度

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。

③ 效率

在电机效率方面,国内电机的最高效率均达到 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%。

④ 冷却方式

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。

永磁同步电机的发展瓶颈

表4 国内外主要轮毂电机产品及参数

② 优缺点分析

从整体来看,永磁同步电机在轮毂电机上应用较为广泛。近年来,国内外的整车及零部件企业进行了很多轮毂电机驱动纯电动和混合动力乘用车的尝试,经比较可知轮毂电机的优缺点如表 5 所示。

表5 轮毂电机优缺点分析

③ 性能提升对策

轮毂电机在性能上面临的主要问题是簧下质量的提升对舒适性和操控性的影响;与轮毂集成后的散热问题和制动能量回收问题,以及随之而来的防震、防水和防尘等。主要提升的技术手段及对策如表 6 所示。

表5 轮毂电机性能提升对策

参考文献

[1] 戴文进.电机设计[M].清华大学出版社,2010.

[2] 谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社, 2011.

[3] 郭建龙,陈世元.电动汽车驱动用电机的选择[j].汽车电器,2007 (1):9-12.

[4] 胡虔生,胡敏强.电机学[m].中国电力出版社,2008.

[5] 王兆安,黄俊.电力电子技术[m].机械工业出版社,2007.


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