選擇純電動汽車電機類型的關鍵是電動機的機械特性,電機的機械特性可以用T—n和P—n曲線來表示,并可作為選擇電機的參考或依據。在設計與選擇電動汽車的驅動電動機時,可以向電動機生產廠家提出所需要的各種性能參數,作為電動機設計的依據。實際上,大多數情況下是電動汽車制造商根據電動機生產廠家提供的技術性能參數選擇現成的電動機。可供電動汽車選用電動機的種類繁多,功率覆蓋面很廣。電動汽車對于驅動電動機的調速范圍、可靠性、能夠在惡劣環境條件下工作的能力等方面有比較高的要求,因此選擇電動汽車電機需要從上述多方面綜合考慮。
目前電動汽車很大一部分是采用感應電動機作為驅動電動機。感應電動機效率高(90%以上),功率較大,功率因數變化大,轉子為鼠籠型結構,適合于高速運轉。另外,感應電動機的可靠性高,便于維修,價格便宜。隨著功率電子器件和功率變換器的快速發展,感應電動機的控制器采用了矢量控制方法控制的變頻器或逆變器,使感應電動機具有更好的可控性和寬廣的調速范圍。目前已經能夠在市場買到不同生產廠家生產的不同規格的效率高、技術性能可靠的感應電動機及變頻器或逆變器,可以直接為電動汽車所采用。新型感應電動機的直接轉矩控制系統,具有控制簡單、動態響應快、調速范圍寬等特點。感應電動機的價格比較便宜,但控制系統很復雜,價格也較高。
永磁電動機的應用越來越廣泛。永磁電動機具有效率高、質量功率較大的特點。永磁電動機的轉子沒有勵磁繞組,可以高速運轉,可靠性好,體積小、質量輕,便于維修。采用矢量控制的變頻調速系統,使永磁電動機具有寬廣的調速范圍。永磁電動機的控制系統要比感應電動機的控制系統簡單和便宜。永磁電動機的永磁材料強度較差,大功率的永磁電動機所需要的永磁材料需要特別加固,因此,永磁電動機的功率一般較小。有些永磁材料在高溫作用下,會發生磁性衰退現象,電動機需要采取水冷卻方式來控制溫度在1 5 0℃以下。目前永磁材料的價格較高,因此永磁電動機及其控制系統的成本較高。
開關磁阻電動機是一種新型電動機,在電動機的轉子上,沒有滑環、繞組等轉子導體和永久磁鐵等裝置。它的結構比其他任何一種電動機都要簡單,效率可以達到85%~93%,轉速可以達到15000r/min,其轉矩一轉速特性好,在較寬的轉速范圍內,轉矩、速度可靈活地控制,并有高的啟動轉矩和低的啟動功率的機械特性;轉子上沒有勵磁繞組和永磁體,結構簡單堅固、可靠性好,質量輕,便于維修,成本較低。開關磁阻電動機的控制系統包括微處理器、位置檢測器和電流檢測器等電子器件,控制系統較復雜,調節性能和控制精度要求高。工作時轉矩脈動大,噪聲也較大,體積比同樣功率的感應電動機要大一些。
目前,正在開發水冷卻開關磁阻電動機及其控制器和永磁開關磁阻電動機,其性能將進一步提高。隨著現代制造技術、現代電子技術、控制理論、計算機和電子元器件的發展,電動機的控制系統正不斷向自動化、集成化和小型化的方向發展。這將促進各種電動機及其控制系統不斷地改進和完善,為電動汽車驅動系統提供更加寬廣的選擇范圍。
其他類型的特種電動機也可以作為電動汽車的驅動電動機,包括同步磁阻電動機、永磁階躍電動機、橫向磁通量電動機等特種電動機。但這些特種電動機需要特殊的驅動系統,且難與現有的各種電動機的驅動系統和傳動系統協調工作,其生產技術和制造工藝也較復雜。但隨著技術的進步和發展,電動汽車所需要的性能更好、效率更高、體積更小、質量更輕的新型電動機和驅動系統必然會研制和開發出來。
電動汽車驅動電機性能比較
項目 | 直流電動機 | 異步電動機 | 異步電動機 | 開關磁阻電動機 |
過載能力 | 中 | 好 | 較好 | 好 |
效率 | 中 | 較高 | 高 | 中 |
壽命 | 中 | 好 | 好 | 好 |
轉速范圍 | 較寬 | 較寬 | 寬 | 較寬 |
功率范圍 | 寬 | 寬 | 小 | 較寬 |
可靠性 | 中 | 好 | 較好 | 好 |
轉矩/電流比 | 中 | 中 | 高 | 高 |
結構堅固性 | 差 | 較好 | 中 | 好 |
電動機外形尺寸 | 大 | 中 | 小 | 小 |
電動機質量 | 重 | 中 | 輕 | 輕 |
電動機成本 | 高 | 中 | 中 | 低 |
驅動控制成本 | 低 | 高 | 高 | 中 |
轉矩/慣量比 | 中 | 中 | 較高 | 高 |
在相同的輸出功率條件下,動力電池組的電壓高時,電流較低;相反,動力電池組的電壓低時,電流較高。
高電壓、小電流系統的導線、接頭、開關等電器元件可以細小一些,連接起來方便,但要求有更安全的防護措施,而且管理系統更復雜。低電壓、大電流系統的導線、接頭、開關等電器元件都比較大,連接要求也高,而且管埋系統相對較簡單。電動機電壓的選擇主要依據車輛總體參數的要求來設計,車輛的自重、電池等相關參數確定后,才能確定電動機的電壓、轉速等參數。即當車輛的自重確定后,電池的個數就確定了,電動機的電壓等級也隨之確定。
但總體要求是,盡可能提高電壓等級,這樣就可以使電動機在滿足驅動要求的情況下,使電動機的功率小一點,電動機的電流也小一點,這樣,電池的容量選擇、安裝空間、安裝方式等就比較容易處理。
根據電動汽車的速度、動力性能的要求,需要選擇不同轉速的驅動電動機。
低速電動機的轉速為3000~6000r/min,擴大恒功率區的低速電動機額定轉矩高、轉子電流大、電動機的尺寸和重量較大。且相應的轉換器、控制器的尺寸也較大,各種電器內在的損耗較大,但減速器的速比較小。一般低速電動機的轉動慣量大、啟動慢,停止也慢,用于電動汽車不太適宜。
中速電動機的轉速為6000~10000r/min,它的各種參數介于低速電動機與高速電動機之間。通常電動汽車多采用中速電動機作為驅動電動機。
高速電動機的轉速為10000r/min以上,擴大的恒功率區寬,尺寸和質量較小,相應的轉換器、控制器的尺寸也較小,各種電器內在的損耗較小。而其減速器的速比要大大增加,通常需要采用行星齒輪傳動機構。高速電動機的使用,主要受電磁材料的性能、高速軸承的承載能力的限制。一般高速電動機的轉動慣量小,啟動快,停止也快,電動汽車上常采用高速電動機作為驅動電動機。
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