電動汽車用電機的技術(shù)發(fā)展概況

www.middletowncarescoalition.com 來源：電動車信息網(wǎng)　　　電動車商情網(wǎng) 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(chǎn)業(yè)革命以后，19世紀末到20世紀上半葉電機又引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命，使人類進入了電氣化時代。20世紀下半葉的信息技術(shù)引發(fā)了第三次產(chǎn)業(yè)革命，使生產(chǎn)和消費從工業(yè)化向自動化、智能化時代轉(zhuǎn)變；推動了新一代高性能電機驅(qū)動系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的研究與發(fā)展。 21世紀伊始，世界(Mondi)汽車工業(yè)又站在了革命的門檻上。雖然，汽車工業(yè)是推動社會現(xiàn)代化進程的重要動力；然而，汽車工業(yè)的發(fā)展也帶來了環(huán)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(jù)了解，2000年我國進口汽油7000萬噸，預(yù)計2010年后將超過1億噸，相當于科威特一年的總產(chǎn)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(huán)保中心預(yù)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(tǒng)內(nèi)燃機技術(shù)發(fā)展汽車工業(yè)，將會給我國的能源安全和環(huán)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(diào)速的車輛牽引電機及其控制系統(tǒng)既是電動汽車的心臟又是電動汽車研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，已被列為863電動汽車重大專項的共性關(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)較簡單等優(yōu)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(chǎn)生火花，所以電機的運轉(zhuǎn)不能太高。由于直流電機的換向器需保養(yǎng)，又不適合高速(High Speed)運轉(zhuǎn)，除小型車外，目前一般已不采用。近十年來，主要發(fā)展交流異步電機和無刷永磁電機系統(tǒng)。與原有的直流牽引電機系統(tǒng)相比，具有明顯優(yōu)勢，其突出優(yōu)點是體積小，質(zhì)量輕（其比質(zhì)量為0.5-1.0kg/Kw）、效率高、基本免維護、調(diào)速范圍廣。其研究開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如下。 1.異步電機驅(qū)動系統(tǒng) ·異步電機其特點是結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，低轉(zhuǎn)矩脈動，低噪聲，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高。 ·異步電機矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，使得異步電機驅(qū)動系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，因此被較早應(yīng)用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，目前仍然是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流產(chǎn)品（尤其在美國），但已被其它新型無刷永磁牽引電機驅(qū)動系統(tǒng)逐步取代。 ·最大缺點是驅(qū)動電路復(fù)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(qū)動系統(tǒng) 無刷永磁同步電機可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)，由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)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(nèi)外多種電動車輛中獲得應(yīng)用。 ·內(nèi)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(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)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(diào)速，擴大恒功率范圍運行。內(nèi)置式永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計理論正在不斷完善和繼續(xù)深入，該機結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)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(diào)速牽引驅(qū)動。這些引起了各大汽車公司同行們的關(guān)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(shè)計中主要采用內(nèi)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(zhuǎn)矩電機，相對內(nèi)置式永磁同步電機而言，其弱磁調(diào)速范圍小，功率密度低。該結(jié)構(gòu)電機動態(tài)響應(yīng)快，并可望得到低轉(zhuǎn)矩脈動，適合用作汽車的電子伺服驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)也是當前永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)研究的一個熱點，將成為永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一，具有潛在的競爭優(yōu)勢。 ·永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng) 從20世紀80年代開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)問世后，打破了傳統(tǒng)的電機設(shè)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(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，交流電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計進入一個新的黃金時代；新的電機拓樸結(jié)構(gòu)與控制方式層出不究，推出了新一代機電一體化電機驅(qū)動系統(tǒng)迅猛發(fā)展。高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調(diào)速牽引電機驅(qū)動系統(tǒng)已成為各國研究和開發(fā)的主要熱點之一。 ·SRD開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點是電機結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合于高速(High Speed)運行，并且驅(qū)動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實現(xiàn)四象限控制。這些特點使SRD開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低了可靠性。因此無傳感器的SRD也是未來(Futura)的發(fā)展趨勢之一。 ·永磁式開關(guān)磁阻電機也稱為雙凸極永磁電機，永磁式開關(guān)磁阻電機可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)、盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)和環(huán)形橫向磁場結(jié)構(gòu)。該電機在磁阻轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了永磁轉(zhuǎn)矩，永磁轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機的功率密度和減小轉(zhuǎn)矩脈動，以利于它在電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用。 ·轉(zhuǎn)子磁極分割型混合勵磁結(jié)構(gòu)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(fā)中心的極大關(guān)注。轉(zhuǎn)子磁極分割型混合勵磁結(jié)構(gòu)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(diào)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(shè)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(yōu)勢。　　此外，正在研發(fā)的熱點課題還有： ·具有磁場控制能力的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)；　　 ·車輪電機驅(qū)動系統(tǒng)； ·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(qū)動系統(tǒng)和雙饋電永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)。 4.下一代汽車電子伺服系統(tǒng)及其車用伺服電機 1993年美國能源部、商務(wù)部、貿(mào)易部、國防部、環(huán)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(guān)系（PNGV，Partnership for a New Generation of Vehicles），目標是開發(fā)新一代機動車技術(shù)，以增強美國汽車工業(yè)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(fā)車輛電子動力驅(qū)動系統(tǒng)、電子伺服控制系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)（X-by-wire）在未來(Futura)將是十分重要的技術(shù)，該技術(shù)可將各種獨立的系統(tǒng)（如轉(zhuǎn)向、制動、懸掛等）集成到一起由計算機調(diào)控，使汽車的操縱性、安全性以及汽車的總體結(jié)構(gòu)大大改善，設(shè)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(jīng)在一些歐洲車型上被采用，在這個系統(tǒng)中已經(jīng)削減了相當多的機械部件，如液壓泵等。汽車電子伺服技術(shù)是具有革命性的技術(shù)，隨著這個技術(shù)的使用，許多傳統(tǒng)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(xiàn)在未來(Futura)的汽車上。全球最大的汽車零部件企業(yè)一美國德爾福汽車系統(tǒng)公司預(yù)計，在未來(Futura)的3-5年內(nèi)全世界(Mondi)的汽車將逐步采用電子伺服驅(qū)動系統(tǒng)，如電子動力方向盤和線控剎車伺服驅(qū)動系統(tǒng)。目前，美國德爾福汽車系統(tǒng)公司正在全球范圍內(nèi)尋找年產(chǎn)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)。