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1、摘要：驱动电机系统是电动汽车的关键技术之一。本文对电动汽车的几种典型驱 动系统进行了定性分析，对它们的性能进行了比较，指出了它们各自的优缺点。关键词：电动汽车；驱动电机；分析；性能比较人类与环境共存和全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种低排放 和有效利用资源的交通工具，使用电动汽车无疑是一种很有希望的方案。现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种 高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱 动控制系统。电动汽车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器。功 率变换器、电动机及传感器。目前电动汽车中使用的电动机一般有直流电动机、
2、 感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。1电动汽车对电动机的基本要求电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要 求是很高的。1.1电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为34）， 加速性能好，使用寿命长的特点。1.2电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在 恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区， 要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。1.3电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈 回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率，这在内
3、燃机汽车上是不能实现 的。1.4电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电 的续驶里程。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结 构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等1-2。2电动汽车用电动机的种类和控制方法2.1直流电动机有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的 优良控制特性。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，即使到现在，还有 一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。但由于存在电刷和机械换向器，不但 限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维 护和更换电刷和换
4、向器。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了 电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动 汽车上已基本不采用直流电动机3。2.2交流三相感应电动机2.2.1交流三相感应电动机的基本性能交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压 而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐 用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到1200015000r/min。可采 用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，井能够实现再 生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右， 价格便宜
5、，维修方便。2.2.2交流感应电动机的控制系统由于交流三相感应电动机不能直接使用蓄电池供给的直流电，另外交流三相感 应电动机具有非线性输出特性。因此，在采用交流三相感应电动机的电动汽车上， 需要应用逆变器中的功率半导体器件，将直流电变为频卒和幅值都可以调节的交 流电来实现对交流三相电动机的控制。主要有v/f控制法、转差频率控制法。用矢量控制法，对交流三相感应电动机的励磁绕组交流电的频率和输入交流三 相感应电动机的端调控制，控制交流三相感应电动机旋转磁场的磁通量和转矩， 实现改变交流三相感应电动机转速和输出转矩，来满足负载变化特性的要求，并 能够获得最高效率，从而使得交流三相感应电动机能够在电动
6、汽车上得到广泛应 用。2.2.3交流三相感应电动机的不足交流三相感应电动机的耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时需要保证对 交流三相感应电动机的冷却，否则会损坏电动机。交流三相感应电动机的功率因 数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频 变压装置。交流三相感应电动机的控制系统的造价远远高于交流三相感应电动机 本身，增加了电动汽车的成本2-4。另外，交流三相感应电动机的调速性也较差。2.3永磁无刷直流电动机2.3.1永磁无刷直流电动机的基本性能永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动 机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永
7、磁体转子，没有励磁 损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电 动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它 的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高 达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的 效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。2.3.2永磁无刷直流电动机的控制系统典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生 固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一 般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。为进一步扩充转速，永磁 无
8、刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前， 提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。2.3.3永磁无刷直流电动机的不足永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动 机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电 流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能， 严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直 流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁 无刷直流电动机的驱动系统造价很高5-10。2.4开关磁阻电动机2.4.1开关磁阻电动机的基本性能开
9、关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点：它的结构比 其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等， 只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理 容易。因而可靠性好，转速可达15000 r/min。效率可达85%93%呢，比交流 感应电动机要高。损耗主要在定子，电机易于冷却；转子元永磁体，调速范围宽， 控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性，而且在很广的范围内保持 高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。2.2.4开关磁阻电动机的控制系统开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，因此，它的驱动系统较为复杂。它的 控制系统包括功率
10、变换器。a. 功率变换器开关磁阻电动机的励磁绕组，无论通过正向电流或反向电流，其转矩方向不变， 期换向，每相只需要一个容量较小的功率开关管，功率变换器电路较简单，不会 出现直通故障，可靠性好，易于实现系统的软启动和四象限运行，具有较强的再 生制动能力。成本比交流三相感应电动机的逆变器控制系统要低。b. 控制器控制器由微处理器、数字逻辑电路等元件组成。微处理器根据驾驶员输入的命 令，同时对位置检测器、电流检测器所反馈的电动机转子位置，进行分析、处理， 并在瞬间做出决策，发出一系列执行命令，来控制开关磁阻电动机适应电动汽车 不同条件下运行。控制器性能好坏和调节的灵活性，取决于微处理器的软件和硬 件
11、的性能配合关系。c. 位置检测器开关磁阻电动机需要高精度的位置检测器，来为控制系统提供电动机转子的位 置、转速和电流的变化信号，并要求有较高的开关频率以降低开关磁阻电动机的 噪声。2.4.3开关磁阻电动机的不足开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，位置检测器是 开关磁阻电动机的关键器件，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。 由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是开关磁阻 电动机最主要的缺点。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术， 开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外，由于开关磁阻电动机输 出转矩波动较大，功率变换器的直
12、流电流波动也较大，所以在直流母线上需要装 置一个很大的滤波电容器2,11-133电动汽车采用的各种驱动电动机性能比较电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动是采用了控制性能最好和成本 较低的直流电动机。随着电机技术、机械制造技术、电力电子技术和自动控制技 术的不断发展，交流电动机。永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机显示出比直 流电动机更加优越的性能，在电动汽车上，这些电动机逐步取代了直流电动机。 表1为现代电动汽车所采用的各种电动机的基本性能比较。目前交动机、永磁电 动机和开关磁阻电动机以及它们的控制装置，成本还比较高，形成批量生产以后， 这些电动机和单元控制装置的价格会迅速降低，将能够满足经
13、济效益的要求，并 使电动汽车整车价格降低2。开关磁阻电机设计作者：怯名变章来源：本站原创.点击数：680更新时间：2009-1-19 11:11:46也收藏此页1.电机的极数、相数和极弧由于S R电机为双凸极结构，其定子转子的结构对电机的性能有至关重要的作用。极弧的选择应满足如下条件：（1）电机在任何转子位置下均有正反方向自启动的能力.（2）减小不对齐位置时每相笑组的最小电感.（3 ）减小各相绕组间的互感（4 ）是小化杳相统组的开美频率.由于S R电机的平均转距取决于一个工作周期内对齐位置和不对齐位置磁化曲戏之间的磁链-电流轨迹所包含的磁共能面积.也就是说如果能减小每相统组的最小电感就可以提高
14、电机的 输出转距，对于步进电机的研究表明，从提高输出转距的角度开看，应尽星减小各相统组的互感，这就限制了定子统组连接的随意性，要最小化个境组的互感，应使：（1）定子上直径相对的两磁极的遂组连成一相，应使q=N ;/2.（2）转子磁极极数为偶数.将定子相对的境组连接成一相时还应采用正向串联使铁心通电后普布为两极型（即直径相对的两极一为N 一个为S ）.若采用反向串联则形成四极型（直径相对的为N N SS ）要保证SR电机能虞任何转子位置下都具有正反方向自启动的能力定子转子极数必须满足条件：LCM延，4）叽LCM （N=,虬.）、：虬.其中IM为取最小恣倍数，之虏以要求职湘r,是由于Nr艳时会增加
15、每相统组的开美频率，导致损耗增加，如果应用伽重于减小转距脉动也可采用NrNs=由此目前最常用的SR电机为三相的呀4、12/8.四相的时&以及五相的12/8.极弧确定的必要条件电机定转子极弧的确定，应保征对任何转子位置，SR电机均有正反方向启动的能力，因而要求当某一相定转子极姓于极对极时，相部相定转子必须有一定的重叠，也就是要求两相部相电感曲戏上升期具有一定的充叠-所以极弧满足的必要条件为Br）=2pi/qN （1） BS+Br=2pi/Nr Q）当一式不满足时SR电机只具有但方向自起动的能力启动时电机转向因转子位置不同而改变.在我们的样机设计中，使转子极弧略*约定子极弧，约左右.从而保证样机具
16、有正 反方向自起动的能力.极弧对电机特性的影响的戏性分析为便于对不同相S R电机进行比较始析以下来用相对极弧的根念，定安定转子极弧分别为B sn=Bs/1 “Ern= Bs/t粮弧对转距波动的影响.根据SR电机的矩角特性的戏性分析可知，K-=Ci时，没有转距波动，但再安际非戏性的恬况下；电感特性并非转子位移角的蛇性函数，因此转距不是矩形波 而被圆弧化敌必须有一定的电感重叠系数K ：0,才能荻理小的转距波动.福存在最佳值是波动最小.对恒功率区的影响.恒功率区的范围主要受最大允许电流值和控制参数开通角和关断角的限制.在最大允许电流值下，开通角的范围对恒功率区范围的大小有至关重要的作用.这是由于电蒲的幅值对开通角的变化的反应十胃灵励，调整开通角能使电机在电感上升
