国内外电动车用电机的发展概况及趋势

1、国内外电动车用电机的发展概况及趋势加剧了全球环境的污染,而且还消耗了大盈的石油.据有关资料调查,一般工业化城市中的空气污染约有42%是燃油车辆排放的尾气所致,而全球已探明石油资源仅能开发使用40多年.人类与环境共存和保护全球经济的可持续发展的美好愿望必将推动电动车普及使用及其发展.电动车的发展有赖于技术的进步,尤其是进一步提高动力系统的性能,降低其成本.而当前制约电动车发展最关键的问题就是电池和电动机.本文将从介绍国外电动汽车用电动机和国内轻便电动车用电动机的发展概况这两方面着手.分析电动车用电动机的发展趋势.2电动车及其车用电动机的特点电动车最显着的特点就是频繁地起停,收稿日期:200I-0

2、306加减速.而不是运行于某一恒速下.对电动车性能的评价有三个重要参数:最高车速;充电一次的续驶里程加速性,过载能力和爬坡能力.一般情况下最高车速越高,车辆的加速性能越好,过载能力和爬坡能力越大,而充电一次续驶里_裎越短.基于电动车的特点,要求其所用的电动机不仅要有较高的瞬时功率和功率密度(W/kg).以提高车速,增大过载能力;还应有较高的高低速综合效率,增加充电一次的续驶里程.另外.电动机还必须坚固,可靠,价格低廉.电动车用电机的典型特性曲线如图1所示.转追n图1电动车用电动机的典型特性曲钱26船电技术2001年第4期3国外电动汽车用驱动电机的发展概况当今世界.一些经济实力较强,科技水平较高

3、的国家早将目光集中在电动汽车的发展上.他们的电动汽车的发展已由试运行阶段向推广应用方向过渡:日本从1996年开始向国内用户推销商品车,而且日本的丰田和本田汽车公司采用镍氢电池的RAV4EV和HonDaEV也将进入北美市场;美国从1997年开始向美国用户推销商品车:欧洲以法国为代表,标志着雪铁龙集团生产的SAXO电动车从1996起面向个人,集体和行政单位推销:而中国的电动汽车目前处于研制阶段.少量的电动公交车和专用车已试运营.在电动车发展初期.多采用直流电动机.直流电动机的优点是具有比较好的控制特性,但重量太.效率低.价格贵,而且由于电刷和精环的存在.需要维护,电刷磨损又容易造成工作上的不安全性

4、.因此,随着电力电子器件的发展,交流电动机逐渐成熟.并逐渐取代直流电动机.目前国外电动汽车用电动机主要有以下三种交流驱动电动机:异步电动机,永磁无刷直流电动机和开关磁阻电机.3.1异步电动机的发展概况异步电动机因其结构简单,制造容易,低费用,高可靠性,低转矩波动/噪声和不用位置传感器等优点成为电动汽车首选电机,且其控制技术较成熟.美国通用公司的EV1,福特汽车公司RangerEV及国内远望公司的电动客车都采用的是异步电动机.异步电动机有个致命的弱点,即在低速时.效率非常低,这是因为它存在相对比较大的铜损缘故.针对异步电动机,世界各国进行了以下新技术的研究.3.1.1应用变板调速控制技术进一步提

5、高异步电动机的驱动特性传统的异步电动机是用矢量控制调速.其控制结构简图如图2所示.变极电机调速是一种高效的调速方式,若把它与矢量控制结合,可以使电机的调速范围变宽.从而进一步提高了异步电动机的驱动特性.图3是变极电机的转矩特性曲线.2.5互0裂¨删1.0墓O.4曩璃毫曩毫特性酋转迪,|窿髓图3变极电机的转矩特性曲线3.1.2采用最高效率控制技术,提高汽车的续驶里程在传统的矢量控制技术基础上.结合最高效率控制技术,可以提高异步电动机的轻载效率.据仿真结果显示,在典型行驶工况下,采用最高效率控制技术可使电动汽车的续驶里程提高10%20%.3.2永磁无届4电动机的发展概况以永磁同步电动机和

6、无刷直流电动机船电技术2001年第4期为代表的永磁无刷电动机因其体积小,重量轻,效率高和控制灵活等优点在电动车领域内颇受青睐日本丰田公司的RAV4EV使用的就是永磁同步电动机.永磁同步电动机是指用正弦波电流驱动的永磁电机,转子上无励磁绕组,磁场靠永磁体产生,一方面可形成报强的气隙磁场.另一方面转子部分没有热源.不需要冷却装置,因此该电机具有较高的能量密度和效率.体积小,惯性低.响应快.适应于电动汽车的驱动系统.有较好的应用前景.但永磁同步电动机也有其弱点,就是因其受功率电源电压的限制.绕组匝数不能超过一定数值也就是说.在高转速下只有增大电流才能提供足够的输出功率,这会消耗大最的电能从而使效率降

7、低:相反.若不增大电流.输出功率将会下降,电动车就不能正常运行.目前.世界各国钊.对永磁同步电动机也进行了下新技术的研究32.1采用新结构永磁转子.使永磁同步电动机更适用于高速运行嵌入式磁钢永磁电机的结构图如图4所示.这是一种新型结构永磁转子的电机.其特点有:1)磁钢嵌入转子后.省去了加固磁钢的部分,从而使气隙减小了,在电机低速时.可获得更大的转矩:4)辅助磁极放置在铁心连接处.可减少极间的漏磁.从而能有效地增加气隙磁通密度.一/圈4嵌入融钢的永磁电机结构图3.2.2研制混合励磁同步机如图5所示混合永磁电机舳结构图.此电机磁场可以被励磁绕组电流所调节.磁场2)转子的铁心连为一体,能克服较大的离

8、心力.另外,转子磁阻减小了.容易实现弱磁控制;31磁钢设计为拱形,可承受高速旋转时的机械力;图5混合永磁电机的结构控制很容易实现.故而它一方面可以提高永磁电机的弱磁控制恒功率运行特性;另一方面,在混合电动汽车上还可作发电机运行.3.2.3向无刷电机方向发展众所周知,在所有已有的电动机中.综合性能最好的是直流电动机,但直流电动机因电刷和换向器的存在.容易产生摩擦损耗船电技术2001年第4期和电损耗,从而影响电动机工作的可靠性和效率.而无刷直流电动机恰好既消除了有刷直流电动机故障的主要根源,又具备有刷直流电动机和异步电动机的优点.考虑综合指标(系统性能,重量,能量消耗等)之后.将无刷直流电动机与有

9、刷直流电动机,异步电动机相比较如下表1.表1系统交流异有剐直无剐直性能步电机流电机流电机机械性能软硬硬过载能力小丈大可控性难易易平稳性较差较好好噪声较大丈小电磁干扰严重小雏惨性易难易寿命长短长体积较大小效率低较高高成本低较高较高从上表1可以看出,将无刷直流电动机应用于电动车电机驱动系统中,正好满足电动车的一系列要求.即高效节能,保护环境,结构紧凑,操作方便,运行可靠,维护简单等等.我国清华大学等研制的电动轻型客车和中科院北京三环公司的电动轿车采用的就是无刷直流电动机.随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格的不断提高,无刷直流电机的应用将会越来越广泛.3.3开关磁阻电机的发展状况开关磁阻电机是近

10、2O年研制并发展起来的种新型调速电机.此电机结构简单,转子上没有绕组,磁钢或滑环,可以高速运行,效率较高.意大利菲亚特公司的菲亚特500型电动车用的就是此电机.近年来,我国华中理工大学也试制成功了电动汽车用的20kW开关磁阻电机.目前,各国正在攻关的课题就是如何解决开关磁阻电机大振动,噪声和起动,一旦问题解决.此电机在电动车驱动系统中的应用前景将会十分广阔.4国内轻便电动车用电动机的发展概况上节介绍的是国外电动汽车甩电动机的发展情况.电动汽车发展步伐的快慢需根据各国的科技水平和经济实力而定.就我国目前的国情和科技水平来看,发展轻便电动车比较现实可行.轻便电动车包括电动自行车和电动摩托车.因为我

11、国是自行车和摩托车的生产,使用大国.所以在国内开发轻便型电动车的市场潜力十分巨大.电动自行车,电动摩托车和电动汽车一样,也要求高出力和高效率,以减轻整车重量和提高一次充电行驶距离.下面从介绍轻便电动车的驱动方式八手,介绍我国国内轻便电动车用电动机的几种型式及其发展情况.4.1轻便电动车的驱动方式电动自行车的驱动方式从驱动力的性质分,有全电动和电力辅助驱动,前者的驱动力全部来自电动机.后者的驱动力来自骑行者的脚踏力和电动机;而电动摩托车全部采用全电动方式.轻便电动车的驱动方式从电机在车体上的安装位置和驱动装置结构来分,可分为:船电技术2001年第4期1)中置式这种驱动方式是将高速永磁直流电动机置

12、于中轴位置,通过普通齿轮减速,再通过链条带动后轮.由于链条传动效率不高,则此驱动方式比轮毂式驱动方式的性能要差一些,结构要复杂些,且零部件加工精度要求也高些2)磨胎式磨胎式是用高速永磁直流电机带动旋转的滚轴和轮胎摩擦产生驱动力.这种方式,驱动机构简单.维修方便.但驱动效率低,对车胎磨损大,在雨天或泥泞的路面骑行困难,有时甚至不能行驶.3)轮毅式电动轮轮毅式驱动就是将电动机直接装在车轮内.此方式既完全消除了传动中的机械磨损.提高了传动效率.又具有最小的体积.最轻的重量.同时故障率也降低了.轮毂式又分前轮驱动和后轮驱动两种.国内大多数采用后轮驱动,少数采用前轮驱动,因为国内普遍认为前轮驱动操作性不

13、好,安全性差,而日本一专利认为,对于电动自行车采用前轮驱动.使前后轮载荷分配较为合理,并增加了稳定性.尤其在天气和路况不好的情况下.优点更突出通过对上述各种驱动系统方式的分析可见.目前国内轻便电动车中普遍选用的最佳驱动方式是轮毂式.4,2国内轻便电动车用电机的发展概况在我国八十年代的电动自行车多采用中置式,驱动电机用线绕盘式永磁有刷高速真流电动机加圆柱齿轮减速器.链条传动.随着永磁材料科学.电力电予技术等的进步,现在电动车用驱动电机发生了报大的变化,目前国内广泛应用的驱动电机有以下几种:1)永磁直流电动机此种电机有两种结构:一是圆柱式有铁心结构;另一个是盘式无铁心结构.由于此类电机存在着电刷和

14、换向器的缘故.所以它在效率,可靠性,寿命,噪声和维修性等方面比无刷直流电机差些.但它也具备较好的调速性能,较大的过载能力和较低的成本等一系列优点.该电机在我国作为屯动车用电机的转速一般在2000r/min5500r/min范围内.大多数在3400r/min3800r/min左右.2)外转子永磁无刷直流电动机此类电机既具有交流异步电机的结构简单,运行可靠的特点.又具有直流电机优电的调速特性.而且可靠性商,寿命长,免维护.由于采用的是方波电流驱动,故电机的功率密度高,体积小.重量轻,控制电路简单外转子永磁无刷直流电动机的缺点就是价格较贵.不过我国拥有丰富的稀土资源.一定的技术实力.只要坚持走技术创

15、新之路.加强应用与研制生产单位间的联合,不断提高稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比.永磁无刷电机在电动车驱动系统中的市场一定会无限广阔.目前,从电机结构分.我国轻便电动车上用的此类电机有以下三种类型:径向磁路有铁心电机:轴向磁路有铁心电机:轴向磁路无铁心电机.这三类电机性能接近.但从材料消耗,船电技术2001年第4期制造工艺的复杂性,合格率,成本等方面分析.第一种较优于其他两种.3)其他类型电机轻便电动车用电机除了以上两大类型外,还有少数采用了异步电动机和开关磁阻电机.这两种电机的优缺点已在本文的3.1和3.3节中已介绍过了,这里不在赘述.在电动汽车中.美国几家公司采用异步电动机.主要是因为

16、美国在此类电机的控制技术方面成熟得多.而在我国轻便电动车中对此类电机不够感兴趣.至于开关磁阻电机,它仍是在研制中的新产品,其推广应用还需一段时日.5结论以上通过对国内外电动车用电动机发展概况的介绍,电动车用电机驱动系统选用交流调速传动已是大势所趋.目前,电动车用电机基本上形成主流.但并不单一.而是呈多样化趋势发展.异步电机和永磁无局9直流电机用得比较普遍.永磁无刷直流电机集电力电子技术,微电子技术,数字技术,自控技术以及材料科学等多门学科于一体.体现了多学科的综合应用.发展前景十分广阔,在电动车用电机中是强有力的竞争者.而开关磁阻电机则是一个潜在的竞争者,值得予以关注.可以预言.在近期内,谁最

17、先掌握新技术.进一步提高永磁无刷直流电机的性能.并丈幅度降低此电机驱动系统的成本和价格.谁将最先占领国内外电动车驱动系统的广阔市场.参考文献1】蘸超奎.电动自行车中使用的直掌E电机捂述.微电机,1999(2).2王怡.胡元德等.国外电动汽车电机驱动系统的发展评述.徽电机,1997(3).3馀景光.电动汽车在我国的发展前景.电气时代,1999(9)DevelopingSurveyandTendencyofMotorinElectricallyOperatedVehicleatHomeandAbroadXuHuIrilingfThe712ResearchInstitute,CSICrWuhan430064,China)Abtract:Inthe】逗htofthefeaturesoftheelectricallyoperatedvehicle,thethesintroducesthedev