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    常用的驅動電機類型及原理

    瀏覽次數:9 分類:企業新聞 分類:行業新聞

    基于新能源汽車驅動電機的基本性能要求,目前常用驅動電機類型主要包括三大類,即交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機。目前,各車企配套車型統計中,每個車型選用的驅動電機類型也有所不同。

    因此,要進行新能源汽車搭載電機類型選用,了解驅動電機的結構、工作原理和性能優缺點非常重要。

    交流異步電機
    1.交流異步電機結構

    交流異步電機,也稱感應電機,結構主要包括定子、轉子、電機軸、前后軸承、端蓋、位置傳感器、溫度傳感器、低壓線束和高壓動力線束。定子由定子鐵心和三相繞組組成;轉子常用籠型轉子,包括轉子鐵心和籠型繞組。根據電機的功率不同會選擇水冷或者風冷方式。(圖1)

    2.交流異步電機的工作原理

    (1)交流異步電機的驅動工作原理

    1)定子提供旋轉磁場。交流異步電機要驅動提供扭矩,需要在定子線圈中通入三相交流電,產生不斷旋轉的磁場(磁場轉速為ns)。交流異步電機要求定子三相繞組必須對稱,并且定子鐵心空間上互差120度電角度;通入三相對稱繞組的電流也必須對稱,大小、頻率相同,相位相差120度。旋轉磁場的轉速,見式(1)。

    ns=60f/p(1)

    式中,ns為旋轉磁場的轉速(也稱同步轉速),r/min;f為三相交流電頻率,Hz;p為磁極對數。對已經設計定型生產的驅動電機,磁級對數已經確定,因此決定磁場旋轉速度的因素為三相交流電頻率。由于我國的電網頻率f=50Hz,因此電機的轉速和磁極對數有線性關系。(圖2)

    2)籠型轉子提供感應渦流。由于定子提供旋轉的磁場,籠型轉子導體上感應出電渦流,如圖3所示。在籠型繞組導體c和b之間的導磁區域內,有向外的磁力線,并且該磁力線在旋轉磁場的作用下增強,因此,導體c、b上會感應出i1電渦流;同理,導體a和導體b區域內減弱的磁力線會在導體上感應出i2電渦流。導體b上的電流在定子旋轉磁場的作用下,會使籠型繞組b導體受到電磁力,從而使轉子產生電磁轉矩,旋轉起來。旋轉的轉子逐漸追上旋轉磁場,以比磁場的“同步速度ns”稍慢的速度n旋轉。這種轉子的旋轉速度n比定子磁場的速度ns稍慢的現象稱為轉子發生了轉差,這種異步轉差,讓籠型轉子導體持續切割磁力線產生感應電渦流,由此,在轉子上,電能轉化成機械能,保證持續對外輸出。

    (2)交流異步電機的發電工作原理

    根據法拉第電磁感應定律,閉合電路的一部分導體在磁場里切割磁感線的運動時,導體中就會產生感應電流,產生的電動勢成為感應電動勢。在交流異步電機中,電動機作為發電機時,定子中的通入三相電流為激磁電流,提供磁場,轉子上繞組提供導體,當通過外部機械力,比如汽車驅動軸帶動轉子軸,從而帶動轉子運動時,如果轉子上的轉速高于定子旋轉磁場的同步轉速,此時交流異步電機即為發電機,轉子此時切割旋轉磁場的方向與作為驅動電機轉子工作時相反,因而轉子感應電動勢的方向也相反。在發電過程中,電機轉子受到與外力拖動相反的電磁阻力矩,使轉子速度下降。

    3.交流異步電機的優缺點和應用范圍

    交流異步電機的優點是輸出扭矩可以在大范圍內調整,能在加速或者爬坡時短時間內強制提高輸出扭矩,永磁同步電機的電驅動汽車通常通過增加齒輪箱機構來增加扭矩以提升速度。但是交流異步電機的缺點是電機由于單邊勵磁,啟動電流較大,產生單位轉矩需要的電流較大,而且定子中存在無功勵磁電流,因此能耗比永磁同步電機大,功率因數滯后;重載驅動時常出現過負荷現象;結構相對復雜,其控制技術要求高,制造成本高;功率密度相對低。目前,美國研制的電驅動汽車多采用交流異步電機作為驅動電機。公眾號:solidworks非標機械設計

    永磁同步電機

    1.永磁同步電機的結構

    永磁同步電動機的結構包括定子、轉子、電機軸、前后軸承、端蓋、冷卻水道、位置傳感器、溫度傳感器、低壓線束和動力線束。定子由定子鐵心和三相繞組組成;轉子由永磁體磁極和鐵心組成,鐵心用硅鋼片疊成。根據永磁體在轉子中的布置方式,主要包括表面凸出式永磁轉子、表面嵌入式永磁轉子和內置式永磁轉子,目前新能源電機常用內置式永磁轉子。(圖4)

    2.永磁同步電機的工作原理

    (1)永磁同步電機的驅動工作原理

    由定子提供旋轉的磁場,磁場產生的方式和轉速與交流異步電機相同。由轉子永磁體提供磁極。這樣,定子產生的旋轉磁場,與轉子永磁體磁極和轉子鐵心,形成回路。根據磁阻最小原理,即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合,利用旋轉磁場的電磁力拉動轉子旋轉,于是永磁轉子就會跟隨定子產生的旋轉磁場同步旋轉,從而帶動電機軸旋轉。

    (2)永磁同步電機的發電原理

    根據法拉第電磁感應定律,閉合電路的一部分導體是由三相定子繞組提供,磁場由轉子上的永磁體提供,當外部力矩帶動轉子轉動時,產生旋轉磁場,切割三相定子繞組中的部分導體,產生感應三相對稱電流,此時轉子的動能轉化為電能,永磁同步電機作為發電機工作。

    3.永磁同步電機的優缺點和應用范圍

    永磁同步電機的優點是體積小,質量輕,功率密度高,相比于異步電機能耗小,溫升低,效率高??梢愿鶕枨?,設計成高啟動轉矩,高過載能力的結構電機。永磁同步電機嚴格同步,動態響應性能較好,適合變頻控制,調整電流與頻率即可很大范圍調整電機的轉矩和轉速。但是,永磁同步電機中永磁材料通常采用釹鐵硼強磁材料,這種材料較為脆硬,受到強烈震動有可能碎裂;而且轉子采用永磁材料,在電機使用和過溫情況下會出現磁衰退,造成動力下降。目前,永磁同步電機在新能源汽車電機中應用比較廣泛,亞洲和歐洲新能源市場主要采用永磁同步電機作為新能源電機。

    開關磁阻電機

    1.開關磁阻電機的結構

    開關磁阻電動機是一種典型的機電一體化電動機,又稱“開關磁阻電動機驅動系統”,這種電動機主要包括開關磁阻電動機本體、功率變換器、轉子位置傳感器及控制器四部分,如圖5所示。開關磁阻電動機本體主要結構包括定子、轉子、位置傳感器、前后軸承、前后端蓋和電機殼體等,如圖6所示。其中,定子包括定子鐵心和繞組。定子鐵心和轉子都采用凸極結構,定子凸極鐵心和轉子都由硅鋼片疊加而成,定子凸極上布置繞組,轉子無繞組和永磁體。

    三相6/4極結構表明電動機定子有6個凸極,轉子有個凸極,其中在定子相對稱的兩個凸極上的集中繞組互相串聯,構成一相,相數為定子凸極數/2,如圖7(a)所示。三相12/8極結構表明電動機定子有12個凸極,轉子有8個凸極,其中在定子的4個兩兩對稱凸極上的繞組互相串聯,構成一相,相數為定子凸極數/4,如圖7(b)所示。

    開關磁阻電機相數越多,步進角越小,運轉越平穩,越有利于減小轉矩波動,但控制越復雜,以致主開關器件增多和成本增加。公眾號:solidworks非標機械設計

    步進角的計算,見式(2):

    α=360°×(定子極數-轉子極數)/(定子極數)(2)如三相6/4極電動機,其步進角a=360°×2(/6×4)=30°。

    2.開關磁阻電機的工作原理

    (1)開關磁阻電機的驅動工作原理

    由圖8中的三相12/8極開關磁阻電機工作原理圖可知,當A相繞組電流控制主開關S1、S2閉合時,A相通電勵磁,電動機內所產生的磁場力以OA為軸線的徑向磁場,該磁場磁力線在通過定子凸極與轉子凸極的氣隙處是彎曲的,此時,磁路的磁阻大于定子凸極與轉子凸極重合時的磁阻,因此,轉子凸極受到磁場拉力的作用,使轉子極軸線Oa與定子極軸線OA的重合,從而產生磁阻性質的電磁轉矩,使轉子逆時針轉動起來。關斷A相電,建立B相電源,則此時電機內磁場旋轉30度,則轉子在此時電磁拉力的作用下,連續逆時針旋轉15度。如果順序給A-B-C-A相繞組通電,則轉子就按逆時針方向連續轉動起來;當各相中的定子繞組輪流通電一次時,定子磁場轉過3×30度,轉子轉過一個轉子極距3×15度(即360度/轉子凸極數)。如果依次給A-C-B-A相繞組通電,則轉子會沿著順時針方向轉動。開關磁阻電動機與電流的方向無關,取決于對定子相繞組的通電順序。在多相電動機的實際運行中,也經常出現兩相或兩相以上繞組同時導通的情況。

    (2)開關磁阻電機的發電工作原理

    開關磁阻發電機工作狀態相電感存在三種狀態,勵磁狀態、續流狀態和發電狀態,其相電感L波形如圖10所示。

    圖9中,θ角定義為該相轉子齒極軸線與定子齒槽軸線之間的夾角。轉子齒極軸線與相應的定子齒槽軸線重合時,該相電感最?。ǘx為θ=0°);直至轉子凸極的前沿與定子凸極的后沿相遇時(θ=θ1),繞組相電感始終保持Lmin不變;當轉子繼續轉動,轉子凸極開始和定子凸極出現重合,直至轉子凸極后沿和定子凸極后沿完全重合(此時θ=θ2),繞組相電感在此區域內線性上升,直至最大值Lmax;當轉子繼續轉動至轉子凸極的前沿和定子凸極的前沿重合時,此時θ=θ4,該相電感持續Lmax。

    根據電磁場基本理論,伴隨磁場的存在,電機轉子的電磁轉矩同時存在,可以表示為式(3)。

    如果開關磁阻電機的繞組在θ3和θ4之間開通和關斷,則電機作發電機機運行。此時,在電感下降區形成電流,則dL/dθ<0,此時相繞組有電流通過,則產生制動轉矩(T(θ,i)<0),若外界機械力維持電機轉動,則電機吸收機械能,并把它轉換成電能輸出,此時開關磁阻電機為發電機工作模式。

    3.開關磁阻電機的優缺點和應用范圍

    開關磁阻電機的優點是結構簡單可靠,啟動性能好,效率高,成本低,可以通過改變導通、關斷角度和電壓來調速,擁有較寬的調速范圍和能力。開關磁阻電機的缺點是轉矩脈動較大,噪音較大。目前在一些小型電驅動車輛上使用,比如電驅動四輪代步車、巡邏車等。

    結語

    根據新能源汽車驅動電機自身的性能特點要求,目前市場上車型選用的驅動電機也各有不同。文中描述了目前常用的新能源驅動電機交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機的結構和工作原理,將有助于更好地了解驅動電機。

    而且,由于每種電機的結構和原理不同,應用范圍也大不相同。根據國家的產業戰略規劃,圍繞環保型新能源汽車的電驅動系統方向進行的研究將會越來越廣泛,電機種類和技術水平也會不斷提高。

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