安全可靠的“鼠籠”電機

經(jīng)過十年的摸索，中國調(diào)整了電動汽車發(fā)展規(guī)劃，摒棄了以豐田普銳斯為代表的深混電動車輛，確立了純電動車的發(fā)展方向，且在不排除現(xiàn)有的以廉價為特點的淺混電動車和直流有刷、交流同步等永磁電機為動力的基礎(chǔ)上，確立了電動車輛的動力正確發(fā)展方向為三相交流異步電機。理由是這種古老的電機具有永磁電機所不能比擬的優(yōu)勢——安全、可靠，不存在永磁電機可能產(chǎn)生的永磁材料退磁問題。

鼠籠電機即三相交流異步電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強及使用、安裝、維護方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，而三相交流異步電機也是最適合電動汽車用的一種電機。

上世紀末，中國的電動車開始起步，這個時期的電動自行車(包括初期發(fā)展的一些電動汽車)多采用直流(有刷)伺服電機，采用及其簡單的開關(guān)式控制，以鉛酸電池為動力能源。同時，設(shè)計比較簡陋，電動車輛性能無法滿足使用要求，也沒有安全性、舒適性可言，此時國家也沒有出臺統(tǒng)一的電動車輛發(fā)展規(guī)劃。

2000年左右開始，一些科研單位開始將交流同步伺服電機應(yīng)用到了電動汽車的主動力上，動力電源也有了多樣化的發(fā)展，比較突出的是鉛網(wǎng)電池、錳酸鋰電池等，個別單位已經(jīng)開始試用氫燃料電池(Fuel Cell)組作為電動車輛的動力電源。這一階段，電動車的控制性能有所提高，對電動車輛的要求也開始往實用化發(fā)展，開始注重安全性、可靠性甚至駕駛舒適性。同時國家出臺了一些電動車輛的發(fā)展規(guī)劃，認為混合動力是主要發(fā)展方向，所以當(dāng)以豐田普銳斯(PRIUS)為代表的深度油電并聯(lián)混合動力汽車出現(xiàn)時，得到了中國汽車制造行業(yè)的極大追捧。

又經(jīng)過十年的摸索，中國調(diào)整了電動汽車發(fā)展規(guī)劃，摒棄了以豐田普銳斯為代表的深混電動車輛，確立了純電動車的發(fā)展方向，且在不排除現(xiàn)有的以廉價為特點的淺混電動車和直流有刷、交流同步等永磁電機為動力的基礎(chǔ)上，確立了電動車輛的動力正確發(fā)展方向為三相交流異步電機。理由是這種古老的電機具有永磁電機所不能比擬的優(yōu)勢——安全、可靠，不存在永磁電機可能產(chǎn)生的永磁材料退磁問題。

永磁電機包括直流伺服電機、交流同步伺服電機兩種。對于汽車這種交通工具來講，由于其本身的屬性是移動且經(jīng)常處于不同的環(huán)境、溫度、路況及速度下，從理論上來講，永磁電機的永磁材料高溫退磁問題是無法避免的，如瞬時超載會引起電機過熱造成退磁。

其實在現(xiàn)實情況中也是如此，豐田普銳斯由于采用交流同步永磁電機，早期生產(chǎn)的汽車，其電機由于夏季路面輻射高溫和上坡過載瞬間發(fā)熱造成嚴重退磁，其輸出功率基本都降至原設(shè)計功率的一半以下。而由于磁性材料的磁滯特性，退掉的磁將是不可逆的，即不能再充磁恢復(fù)，只能報廢。

在結(jié)構(gòu)上，三相交流異步電機與其他電機不同，其工作原理是勵磁，此種電機的轉(zhuǎn)子是線圈繞組，定子是金屬勵磁鼠籠，不存在永磁材料。由于三相交流異步電機結(jié)構(gòu)簡單，可以承受更大的機械沖擊和過載，完全勝任汽車所要求的高可靠性，也不存在飛車事故隱患，使用壽命也很理想(三相交流異步電機的壽命是軸承壽命)。

但三相交流異步電機的缺點是體積和重量比較大，解決的方法是使用高磁通矽鋼片來制作電機。

從以上可知，電動車應(yīng)該使用三相交流異步電機作為其主動力，但是由于三相交流異步電機的非線性特征，對其控制一直以來沒有好的解決方案。全世界大多數(shù)對三相交流異步電機的控制還僅僅停留在使用變頻器上，而由于變頻器只能通過控制頻率從而達到控制三相交流異步電機的轉(zhuǎn)速這一個物理量，所以不能滿足車輛經(jīng)常需要的低速大扭矩(起步、爬坡等)的工況。

采用了多CPU控制的IMS(Induction Motor Servo)三相交流異步電機伺服控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了控制電機的全部物理量，即轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、加速度以及位置控制。

IMS伺服控制器的功率主回路采用大功率IGPT或MOSFEIT等半導(dǎo)體器件由專業(yè)廠家特殊封裝，以適應(yīng)電動車輛強烈

振動和大溫差的惡劣工作環(huán)境。

為了更好地達到控制電機的各項運動變量，需要有強大的軟件與IMS伺服控制系統(tǒng)相配合，并需要進行友好的人機會話。IMS伺服控制系統(tǒng)采用了專用的電機操作系統(tǒng)QMOS，并設(shè)計了一套與之交互的計算機控制語言QMCL。

該操作系統(tǒng)可以控制三相交流異步電機在低速下短時(幾十秒)輸出大扭矩(在額定轉(zhuǎn)速下可以輸出額定功率的300%)，乃至在電機停止轉(zhuǎn)動時仍然輸出300%的轉(zhuǎn)矩，這就是該系統(tǒng)所獨有的零速鎖定功能，該功能可以說是專門為電動汽車量身定做。