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电动汽车用电机的技术发展概况

发布时间: 2010-4-8 下午4:46

作者: yulzhu

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蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后,19世纪末到20世纪上半叶电机又引发了第二次产业革命,使人类进入了电气化时代。 20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命,使生产和消费从工业化向自动化、智能化时代转变;推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。
   21世纪开始,世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然,汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力;然而,汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。而对于我国日益扩大的汽车市场,这种危机就更明显。据了解,2000年我国进口汽油7000万吨,预计2010年后将超过1亿吨,相当于科威特一年的总产量。目前世界上空气污染最严重的 10个城市中有7个在中国,而国家环保中心预测,2010年汽车尾气排放量将占空气污染源的64%。虽然,加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业,将会给我国的能源安全和环境保护造成巨大的影响。为此,国家科技部启动了十五863电动汽车重大专项。
   高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研制的关键技术之一,已被列为863电动汽车重大专项的共性关键技术课题。20世纪80年代前,几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机,这是因为直流牵引电机具有起步加速牵引力大,控制系统较简单等优点。直流电机的缺点是有机械换向器,当在高速大负载下运行时,换向器表面会产生火花,所以电机的运转不能太高。由于直流电机的换向器需保养,又不适合高速运转,除小型车外,目前一般已不采用。
   近十年来,主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。与原有的直流牵引电机系统相比,具有明显优势,其突出优点是体积小,质量轻(其比质量为0.5-1.0kg/Kw)、效率高、基本免维护、调速范围广。其研究开发现状和发展趋势如下。
   1.异步电机驱动系统
   ·异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠,低转矩脉动,低噪声,不需要位置传感器,转速极限高。
   ·异步电机矢量控制调速技术比较成熟,使得异步电机驱动系统具有明显的优势,因此被较早应用于电动汽车的驱动系统,目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品(尤其在美国),但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。
   ·最大缺点是驱动电路复杂,成本高;相对永磁电机而言,异步电机效率和功率密度偏低。
   2.无刷永磁同步电机驱动系统
   无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围,发展前景十分广阔,在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者,已在国内外多种电动车辆中获得应用。
   ·内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩,磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度,而且易于弱磁调速,扩大恒功率范围运行。内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入,该机结构灵活,设计自由度大,有望得到高性能,适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。这些引起了各大汽车公司同行们的关注,特别是获得了日本汽车公司同行的青睐。当前,美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电机。   

    ·表面凸出式永磁同步电机也称为永磁转矩电机,相对内置式永磁同步电机而言,其弱磁调速范围小,功率密度低。该结构电机动态响应快,并可望得到低转矩脉动,适合用作汽车的电子伺服驱动,如汽车电子动力方向盘的伺服电机。   
    ·无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系统研究的一个热点,将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一,具有潜在的竞争优势。
   ·永磁同步电机驱动系统低速时常采用矢量控制,高速时用弱磁控制。
   3.新一代牵引电机驱动系统
   从20世纪80年代开关磁阻电机驱动系统问世后,打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式;并随着磁阻电机,永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展,交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代;新的电机拓朴结构与控制方式层出不究,推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。
   ·SRD开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固,适合于高速运行,并且驱动电路简单成本低、性能可靠,在宽广的转速范围内效率都比较高,而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行,是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大,噪声大;此外,相对永磁电机而言,功率密度和效率偏低;另一个缺点是要使用位置传感器,增加了结构复杂性,降低了可靠性。因此无传感器的SRD 也是未来的发展趋势之一。
   ·永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机,永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩,永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动,以利于它在电动车辆驱动系统中应用。
   ·转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力,类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制,符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调速的需求。目前该电机的研究处于探索阶段,电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善,作为假选的电动车辆牵引电机具有较强的潜在的竞争优势。   

   此外,正在研发的热点课题还有:
   ·具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统;   
   ·车轮电机驱动系统;
   ·动力传动一体化部件(电机、减速齿轮、传动轴);
   ·双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统。
   4.下一代汽车电子伺服系统及其车用伺服电机
   1993年美国能源部、商务部、贸易部、国防部、环保局、宇航局、国家科学基金会七个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司,克莱斯勒、福特和通用,建立了新一代车辆伙伴关系(PNGV,Partnership for a New Generation of Vehicles),目标是开发新一代机动车技术,以增强美国汽车工业的实力。1998年至2002年期间,美国国家自然科学基金(NSF)资助美国国家电力电子中心(由美国Virginia和美国Wisconsin等四所大学组建)研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统和各种车辆专用IC模块,提高汽车电子电气部件的可靠性,降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点,增强在国际市场的竞争力。线控的汽车电子伺服系统(X-by-wire)在未来将是十分重要的技术,该技术可将各种独立的系统(如转向、制动、悬挂等)集成到一起由计算机调控,使汽车的操纵性、安全性以及汽车的总体结构大大改善,设计的灵活度也大大增加。目前,电子动力方向盘和线控刹车已经在一些欧洲车型上被采用,在这个系统中已经削减了相当多的机械部件,如液压泵等。汽车电子伺服技术是具有革命性的技术,随着这个技术的使用,许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失,而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。
   全球最大的汽车零部件企业一美国德尔福汽车系统公司预计,在未来的3-5年内全世界的汽车将逐步采用电子伺服驱动系统,如电子动力方向盘和线控刹车伺服驱动系统。目前,美国德尔福汽车系统公司正在全球范围内寻找年产300万台以上的电子动力方向盘的交流伺服电机合作伙伴。
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