?三、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)

(1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要性能指標(biāo)　驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,直接或通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車(chē)輪和工作裝置。適用于電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)可分為直流電動(dòng)機(jī)(將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī))和交流電動(dòng)機(jī)(將交流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī))兩大類(lèi)。目前在電動(dòng)汽車(chē)上已應(yīng)用的和有應(yīng)用前景的有直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要性能參數(shù)有類(lèi)型、額定功率、額定電壓、額定電流、額定效率、機(jī)械特性、額定頻率、尺寸參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、可靠性和成本等。

① 額定功率。指電動(dòng)機(jī)在制造廠所規(guī)定的額定條件下運(yùn)行時(shí),其輸出端的機(jī)械功率,單位一般為kW。

② 額定電壓。是指電動(dòng)機(jī)在額定條件下運(yùn)行時(shí),外加于定子繞組上的線(xiàn)電壓,單位為V。一般規(guī)定電動(dòng)機(jī)的工作電壓不應(yīng)高于或低于額定值的5%。當(dāng)工作電壓高于額定值時(shí),電動(dòng)機(jī)容易發(fā)熱;當(dāng)工作電壓低于額定值時(shí),會(huì)引起輸出轉(zhuǎn)矩減小,轉(zhuǎn)速下降,電流增加,也會(huì)使繞組過(guò)熱。

③ 額定電流。指電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定輸出功率時(shí)定子繞組的線(xiàn)電流,單位為A。

④ 額定頻率。我國(guó)電力網(wǎng)的頻率為50Hz,因此除外銷(xiāo)產(chǎn)品外,國(guó)內(nèi)用的交流電動(dòng)機(jī)額定頻率均為50Hz。

⑤ 額定轉(zhuǎn)速。指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下,輸出端有額定功率輸出時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,單位為r/min。電動(dòng)汽車(chē)采用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般為8000~12000r/min。

⑥ 額定效率。指電動(dòng)機(jī)在額定條件下運(yùn)行時(shí)的效率,是額定輸出功率與額定輸入功率的比值。電動(dòng)機(jī)在其他工況運(yùn)行時(shí)的最大效率為峰值效率,整體效率越高越好。電動(dòng)汽車(chē)還需要在車(chē)輛減速和制動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)能量回收,再生制動(dòng)回收能量一般可達(dá)到總能量的10%~15%。

⑦ 額定功率因數(shù)。對(duì)于交流電動(dòng)機(jī),定子相電流比相電壓滯后一個(gè)角φ,cosφ就是異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低,在額定負(fù)載時(shí)為0.7~0.9,而在輕載和空載時(shí)更低。因此,必須正確選擇電動(dòng)機(jī)的容量,防止出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象,并力求縮短空載時(shí)間。

⑧ 絕緣等級(jí)。絕緣等級(jí)是電動(dòng)機(jī)繞組絕緣能力達(dá)到的等級(jí)數(shù)。絕緣等級(jí)是按電動(dòng)機(jī)繞組所用的絕緣材料在使用時(shí)容許的極限溫度來(lái)分級(jí)的。所謂極限溫度,是指電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中最熱點(diǎn)的最高容許溫度。絕緣等級(jí)與極限溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1?4。

⑨ 功率密度。指單位質(zhì)量電動(dòng)機(jī)輸出的功率,單位是kW/kg,功率密度越大越好。

⑩ 過(guò)載能力。指電動(dòng)機(jī)在超過(guò)額定載荷(功率、轉(zhuǎn)矩、電流等)條件下工作的能力。電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大的調(diào)速性能,可以使汽車(chē)有良好的啟動(dòng)性和加速性,以獲得所需要的啟動(dòng)、加速、行駛、減速、制動(dòng)等的功率與轉(zhuǎn)矩。

?其他指標(biāo)。除了上面所述及的性能參數(shù)外,電動(dòng)機(jī)還要求可靠性好,耐溫和耐潮性好,運(yùn)行噪聲低,振動(dòng)小,能夠在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合大批量生產(chǎn),使用維修方便,性?xún)r(jià)比高,等。

(2)直流電動(dòng)機(jī)　直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。因其良好的調(diào)速性能而在電力驅(qū)動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。

直流電動(dòng)機(jī)主要由機(jī)座、電樞、主磁極、換向磁極、換向器、刷架、端蓋、風(fēng)扇、出線(xiàn)盒組成,如圖1?30所示。

① 特點(diǎn)。

a.調(diào)速性能好。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下,實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速,而且調(diào)速范圍較寬。

b.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。可以均勻而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),因此,凡是在重負(fù)載下啟動(dòng)或要求均勻調(diào)速的機(jī)械,如電動(dòng)汽車(chē)都可用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

c.控制比較簡(jiǎn)單。一般用斬波器控制,它具有高效率、控制靈活、質(zhì)量小、體積小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

d.有易損件。由于存在電刷、換向器等易磨損器件,所以必須進(jìn)行定期維護(hù)或更換。

② 分類(lèi)。勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為他勵(lì)和自勵(lì)兩類(lèi),其中自勵(lì)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)3種。電動(dòng)汽車(chē)上常用的有并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。

③ 應(yīng)用。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在早期電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用較多,如五十鈴Eif/Resort、大發(fā)Hijet Van、鈴木奧拓等。

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)是早期電動(dòng)汽車(chē)上采用的電動(dòng)機(jī),低速時(shí)轉(zhuǎn)矩較大,高速時(shí)勵(lì)磁變?nèi)?電動(dòng)機(jī)僅采用電樞控制就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制,十分簡(jiǎn)單。由于這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性與采用發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛的傳動(dòng)輸出特性類(lèi)似,故可得到近似等同的駕駛舒適性。但是由于其轉(zhuǎn)速范圍太小,因此必須具備傳動(dòng)裝置。如斯巴魯Samber EV Classic電動(dòng)汽車(chē)即采用額定功率為25kW的恒轉(zhuǎn)矩串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

(3)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)　三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是靠同時(shí)接入380V三相交流電流(相位差120°)供電,定子與轉(zhuǎn)子之間靠電磁感應(yīng)作用,在轉(zhuǎn)子內(nèi)形成感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電機(jī),也稱(chēng)為三相異步電動(dòng)機(jī)。

三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)雖然很多,但各類(lèi)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的,它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成,在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外,還有端蓋、軸承、風(fēng)扇、風(fēng)扇罩、接線(xiàn)盒、吊環(huán)等其他附件,如圖1?31所示。

① 特點(diǎn)。

a.優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固,容易做到高速和小型輕量化。弱磁控制與最大效率控制的同時(shí)使用可以達(dá)到比較高的效率。價(jià)格低,可靠性好。

b.缺點(diǎn)。由于勵(lì)磁電流是必要的,因此會(huì)引起功率因數(shù)的惡化,特別是在低速區(qū)域,因數(shù)、效率惡化較為嚴(yán)重。另外,該種電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制難度較大。

② 應(yīng)用。作為汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),小型輕量化很重要,而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的這一優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到認(rèn)可,故其在許多電動(dòng)汽車(chē)中均有應(yīng)用。如日產(chǎn)March EV、福特ETX?1、豐田Town Ace EV、三菱Rebel EV等電動(dòng)汽車(chē)均應(yīng)用了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

(4)永磁同步電動(dòng)機(jī)　勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是有機(jī)械換向器,當(dāng)在高速、大負(fù)載下運(yùn)行時(shí),換向器表面會(huì)產(chǎn)生火花,所以電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不能太高。由于直流電動(dòng)機(jī)的換向器需保養(yǎng),又不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn),除小型車(chē)外,目前一般已不采用。

永磁電動(dòng)機(jī)就是采用永磁材料來(lái)替代勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組(或轉(zhuǎn)子繞組)的電動(dòng)機(jī)。永磁電動(dòng)機(jī)分為永磁交流同步電動(dòng)機(jī)和永磁直流電動(dòng)機(jī)兩種。

對(duì)于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī),若采用永磁體取代其籠式感應(yīng)轉(zhuǎn)子,則相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)就稱(chēng)為永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)。為了克服磁通量不變的缺點(diǎn),又在其轉(zhuǎn)子中嵌入了籠式電磁繞組,稱(chēng)為永磁復(fù)合式電動(dòng)機(jī),它的特點(diǎn)是既有永磁體又有籠式繞組。

永磁同步電動(dòng)機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋及定子等各部件組成。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)的最大不同是在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。根據(jù)在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置的不同,永磁同步電動(dòng)機(jī)通常分為表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

永磁體的放置方式對(duì)電動(dòng)機(jī)性能影響很大。表面式轉(zhuǎn)子是永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面,這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,僅適合于啟動(dòng)要求不高的場(chǎng)合,很少應(yīng)用。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子是永磁體位于鼠籠導(dǎo)條和轉(zhuǎn)軸之間的鐵芯中,啟動(dòng)性能好,目前絕大多數(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)都采用這種結(jié)構(gòu)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1?32所示。

① 優(yōu)點(diǎn)。永磁電動(dòng)機(jī)具有較高的比功率,體積更小,質(zhì)量更小,比其他類(lèi)型電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大,電動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異,因此永磁同步電動(dòng)機(jī)已成為現(xiàn)今電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。

② 缺點(diǎn)。永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí),其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降,或發(fā)生退磁現(xiàn)象,有可能降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能。另外,稀土式永磁同步電動(dòng)機(jī)要用到稀土材料,制造成本不太穩(wěn)定。

③ 應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)在多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用比較廣泛,如寶馬i3、奔馳Smart EV和三菱i MIEV等。

(5)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)　如果將直流電動(dòng)機(jī)的直流勵(lì)磁繞組用永久磁鐵代替,該電動(dòng)機(jī)就稱(chēng)為永磁直流電動(dòng)機(jī)。為了克服磁通量不變的缺點(diǎn),又在其永磁定子中嵌入了激勵(lì)磁場(chǎng)的電磁繞組,稱(chēng)為永磁復(fù)合式電動(dòng)機(jī),它的特點(diǎn)是既有永磁體又有勵(lì)磁繞組。

永磁直流電動(dòng)機(jī)分永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于小型電器之中。由于電刷和換向器的存在,永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)在維修、制造等方面都比永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜,在應(yīng)用中的換向火花、機(jī)械噪聲等也使它難以在惡劣的環(huán)境下使用。而永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有電刷,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的缺陷。因此永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)越來(lái)越多地被應(yīng)用在伺服系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、變頻空調(diào)以及電動(dòng)汽車(chē)中。

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1?33所示。三相對(duì)稱(chēng)定子繞組固定在定子上,轉(zhuǎn)子上的電樞繞組用稀土永磁材料(釤鈷、釹鐵硼)取代。對(duì)于高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),還需要加裝非磁性護(hù)環(huán)。

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的主要電氣參數(shù)、繞組形式與繞線(xiàn)式三相同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組一樣,各線(xiàn)圈依次通電即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),如圖1?34所示。

① 優(yōu)點(diǎn)。

a.由于可以采用稀土磁鐵等高性能永磁體,電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)較大的功率因數(shù)和較高的效率,特別是在低速時(shí)更明顯。

b.能得到較高的磁通密度,可以制成小型高速電動(dòng)機(jī)。

c.容易多極化,可以制成輪轂式電動(dòng)機(jī)。

② 缺點(diǎn)。

a.在一定輸出區(qū)域內(nèi),當(dāng)勵(lì)磁較弱時(shí)效率會(huì)惡化。近年來(lái)隨著嵌入式磁鐵的采用,這種惡化正慢慢得以解決。

b.磁鐵材料價(jià)格較高,而且安裝困難,永久磁鐵在發(fā)熱時(shí)容易產(chǎn)生減磁現(xiàn)象。

c.逆變器遭短路破壞會(huì)造成電動(dòng)機(jī)端子短路,產(chǎn)生很大的制動(dòng)力。

③ 應(yīng)用。目前,電動(dòng)汽車(chē)中使用的電動(dòng)機(jī),大都向永磁電動(dòng)機(jī)階段過(guò)渡,如日本豐田RAV4LV EV、本田EV PLUS等。

(6)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)是一種典型的機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī),又稱(chēng)“開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)”,這種電動(dòng)機(jī)主要由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體、電力電子功率變換器(簡(jiǎn)稱(chēng)功率變換器)、轉(zhuǎn)子位置傳感器以及控制器四部分組成,如圖1?35所示。

根據(jù)勵(lì)磁方式,開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)分為勵(lì)磁式和永磁式兩種。

勵(lì)磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體采用定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu),單邊勵(lì)磁,即僅定子凸極采用集中繞組勵(lì)磁,而轉(zhuǎn)子凸極上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體。定、轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成。定子繞組徑向相對(duì)的極串聯(lián),構(gòu)成一相。其結(jié)構(gòu)原理如圖1?36所示。

在勵(lì)磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)定子軛部位對(duì)稱(chēng)地嵌入高性能的釹鐵硼永磁體,永磁體磁場(chǎng)與各相繞組的磁場(chǎng)共同組成新型電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng),形成永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(PMSRM)。

永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為雙凸極永磁電動(dòng)機(jī),可采用圓柱形徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、盤(pán)式軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和環(huán)形橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。該電動(dòng)機(jī)在磁阻轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上疊加了永磁轉(zhuǎn)矩,永磁轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電動(dòng)機(jī)的功率密度和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),利于它在電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。它可以加速繞組換流速度,減小波動(dòng),提高能量利用率。

① 優(yōu)點(diǎn)。

a.系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬。可以在低速下運(yùn)行,也可以在高速下運(yùn)行(最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min)。

b.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、成本低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

c.運(yùn)行效率、可靠性等方面均優(yōu)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。

d.熱量排放小,耐化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)。可以在散熱條件差、存在化學(xué)污染的環(huán)境下運(yùn)行。

e.價(jià)格低,適宜大批量生產(chǎn)。

② 缺點(diǎn)。

a.磁能變化不大時(shí)效率惡化、噪聲變大。

b.配套逆變器較其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

③ 應(yīng)用。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)適合要求低價(jià)格化、低速小型的電動(dòng)汽車(chē),目前由于缺點(diǎn)較多,在電動(dòng)汽車(chē)中很少應(yīng)用。但永磁開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)做成外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)后,可應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

(7)輪轂電機(jī)　電動(dòng)汽車(chē)采用的輪轂式電機(jī)驅(qū)動(dòng)屬于分散式電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。分散電機(jī)驅(qū)動(dòng)通常有輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)兩種方式。所謂輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式,是指每個(gè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),但是電動(dòng)機(jī)不是集成在車(chē)輪內(nèi),而是通過(guò)傳動(dòng)裝置(例如傳動(dòng)軸)連接到車(chē)輪。輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于簧載質(zhì)量范圍,懸架系統(tǒng)隔振性能好。但是,安裝在車(chē)身上的電動(dòng)機(jī)對(duì)整車(chē)總布置的影響很大,尤其是在后軸驅(qū)動(dòng)的情況下。而且,由于車(chē)身和車(chē)輪之間存在變形運(yùn)動(dòng),其對(duì)傳動(dòng)軸的萬(wàn)向傳動(dòng)也具有一定的限制。因此目前分散電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向是輪轂電機(jī)式。

① 結(jié)構(gòu)形式。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子形式分為內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型兩種結(jié)構(gòu),如圖1?37所示。通常,外轉(zhuǎn)子型采用低速外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1000~1500r/min,無(wú)任何減速裝置,電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子與車(chē)輪的輪輞固定或者集成在一起,車(chē)輪的轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)相同。內(nèi)轉(zhuǎn)子型則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī),同時(shí)裝備固定傳動(dòng)比的減速器,為了獲得較高的功率密度,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通常高達(dá)10000r/min,減速機(jī)構(gòu)通常采用傳動(dòng)比在10∶1左右的行星齒輪減速裝置。

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于電動(dòng)機(jī)電制動(dòng)容量較小,不能滿(mǎn)足整車(chē)制動(dòng)效能的要求,通常需要附加機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用鼓式或者盤(pán)式制動(dòng)器。電動(dòng)機(jī)電制動(dòng)容量的存在往往可以使制動(dòng)器的設(shè)計(jì)容量適當(dāng)減小。大多數(shù)的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻,也有的采用水冷和油冷的方式對(duì)電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器等發(fā)熱部件進(jìn)行散熱降溫,但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

② 優(yōu)點(diǎn)。

a.可以完全省略傳動(dòng)裝置,整體動(dòng)力利用效率大大提高。

b.輪轂電動(dòng)機(jī)使得整車(chē)總布置可以采用扁平化的底盤(pán)結(jié)構(gòu)形式,車(chē)內(nèi)空間和布置自由度得到極大的改善。

c.車(chē)身上幾乎沒(méi)有大功率的運(yùn)動(dòng)部件,整車(chē)的振動(dòng)、噪聲和舒適性得到極大改善。

d.便于實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)形式,有利于極大地改善整車(chē)的動(dòng)力性能。

e.輪轂電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件,利用響應(yīng)速度快和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),便于實(shí)現(xiàn)包括線(xiàn)控驅(qū)動(dòng)、線(xiàn)控制動(dòng)以及線(xiàn)控整車(chē)動(dòng)力學(xué)控制在內(nèi)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)集成控制,提高整車(chē)的主動(dòng)安全性。

③ 應(yīng)用。應(yīng)用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的典型電動(dòng)汽車(chē)是日本東京電力IZA和國(guó)四電力的PIVOT。未來(lái)汽車(chē)發(fā)展方向?yàn)樾畔⒒⒅悄芑偷吞蓟?四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)(輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng))的電動(dòng)汽車(chē)將是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳選擇。

(8)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用

① 應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)性能比較。表1?5為現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)的性能比較。

② 世界電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用情況。世界范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē),應(yīng)用的主流電動(dòng)機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī),但也有應(yīng)用交流異步電動(dòng)機(jī)的車(chē)型。表1?6列舉了世界知名電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)比較。

③ 我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用情況。新能源汽車(chē)的快速發(fā)展,帶動(dòng)車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模迅速增長(zhǎng),以上海電驅(qū)動(dòng)、精進(jìn)電動(dòng)、上海大郡、南車(chē)時(shí)代電動(dòng)汽車(chē)為代表的國(guó)內(nèi)主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)企業(yè),在電動(dòng)機(jī)制作工藝、原材料、關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成技術(shù)等方面均有所突破,車(chē)用電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。這些企業(yè)在乘用車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和商用車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)方面均推出多款驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)品和樣機(jī),功率范圍在42~200kW。

2015年,不同類(lèi)型電動(dòng)機(jī)配套車(chē)型及占比見(jiàn)表1?7。從表1?7中可以看出,永磁同步電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)配套占比分別為69%、25%、6%。永磁同步電動(dòng)機(jī)為我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流技術(shù)產(chǎn)品。

2.電動(dòng)機(jī)控制器

汽車(chē)電動(dòng)機(jī)控制器通過(guò)把微電子器件和功率器件集成到同一芯片上,便成了功率集成電路(PIC),俗稱(chēng)“智能功率模塊(IPM)”,其目的是進(jìn)一步減小體積、降低成本并改善其可靠性。PIC可以包含功率模塊、控制、保護(hù)、信息傳遞和制冷等。

PIC合成存在的主要問(wèn)題是高電壓和低電壓器件的絕緣以及冷卻問(wèn)題。不過(guò),在今后的發(fā)展中,這種技術(shù)是最有希望用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的,關(guān)鍵在于對(duì)器件的集成和包裝。

汽車(chē)電動(dòng)機(jī)控制器是由DSP電動(dòng)機(jī)控制板、IGBT驅(qū)動(dòng)電路板、IGBT(IPM)模塊、控制電源、散熱系統(tǒng)組成的,圖1?38所示為典型的電機(jī)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

DSP接收整車(chē)控制器的指令并反饋信息,檢測(cè)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)傳感器信息,根據(jù)指令及傳感器信息產(chǎn)生逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào)。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路用于接收DSP的開(kāi)關(guān)信號(hào)并反饋相關(guān)信息,放大開(kāi)關(guān)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)IGBT,提供電壓隔離和保護(hù)功能。

控制電源為DSP提供電源,為驅(qū)動(dòng)電路提供多路相互隔離的電源。

散熱系統(tǒng)為電力電子模塊散熱,為控制器組件安裝提供支撐,為控制器提供環(huán)境保護(hù)。

電動(dòng)機(jī)控制器主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

① 怠速控制(爬行)。

② 控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的前進(jìn)和倒車(chē)。

③ 控制能量回饋(交流電轉(zhuǎn)換為直流電)。

④ 駐坡(防溜車(chē))。

⑤ 通信和保護(hù)。實(shí)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)和故障檢測(cè),保護(hù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和故障反饋。