電動機的特點對電動汽車的影響

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、驅(qū)動電動機的分類

雖然電動機的種類繁雜，用途廣泛，但能夠在汽車上應(yīng)用需要滿足諸如質(zhì)量、體積、散熱以及功率等需求的電動機就顯得鳳毛麟角了。能夠滿足這些要求的驅(qū)動電機可分為：直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機等。

二、電動汽車典型驅(qū)動電機的分析及相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的優(yōu)勢

交流電動機是各類電動機中應(yīng)用最為廣泛的一種。交流電動機通常按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和定子繞組的相數(shù)進行分類。按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型和繞線型，按定子繞組相數(shù)來分，可分為單相和三相。在電動汽車中，籠型交流電動機應(yīng)用較為廣泛，具備諸多優(yōu)點，下面對此進行分析：

1.轉(zhuǎn)動原理

切割轉(zhuǎn)子繞組→E=BLV→產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流→F=BIL→產(chǎn)生電磁力→產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為n

必須使轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，才能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E，否則將無轉(zhuǎn)子電動勢和轉(zhuǎn)子電流。不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n0之差△n=n-n0，而轉(zhuǎn)差率s等于△n與磁場的同步轉(zhuǎn)速n0之比。

2.電路分析

①定子電路

U1=4.44f1N1φ N1：每相定子繞組的匝數(shù) f1:電源頻率 φ:旋轉(zhuǎn)磁場的磁通

f1=pn0/60

②轉(zhuǎn)子電路

轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動勢E2=4.44f2n2φ，而轉(zhuǎn)子頻率f2=sf1，則有E2=4.44sf1N2φ

而只有當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0時，s=1，此時E2最大，為E20=4.44f1N2φ，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的感應(yīng) 電動勢E2=sE20。

轉(zhuǎn)子的感抗X2=2πf2L=2πsf1L，同理s最大=1時，X2最大取值為X20=2πf1L。

轉(zhuǎn)子電流I2=SE20/z，z等于R的平方與sx20平方之和開根號。

轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cosφ2=R2/z。

當轉(zhuǎn)差率s很小時，功率因數(shù)cosφ2趨于1；當s較大時，功率因數(shù)cosφ2較小。

從而得到：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，電路中的各個量都與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，根本上是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n有關(guān)。

3.電動機的轉(zhuǎn)矩與機械特性

①電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN=9550×P/n

②最大轉(zhuǎn)矩Tmax=KU1×U1/2X20

③過載系數(shù)λ=Tmax/TN λ一般在1.8至2.2之間工作時必須使Tmax>T2，否則電機將會停轉(zhuǎn)。

④啟動轉(zhuǎn)矩Tst與U1平方成正比，在一定范圍之內(nèi)與R2也成正比，適當增加R2可以使得Tst增大。

啟動的條件為:Tst>T2，否則電機無法啟動。

介紹完以上電動機的轉(zhuǎn)矩概念后，下面來分析電動機的運行，并與內(nèi)燃機做一對比:

①若輪上負載T2增大→則T2>T→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n減小→轉(zhuǎn)差率s增大→電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s成正比→電磁轉(zhuǎn)矩T增大→使得T=T2→達到新的平衡

②若輪上負載T2減小→則T2

三、電動機在汽車上應(yīng)用而帶來的優(yōu)缺點

交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運行可靠、維護方便、價格低、體積小，質(zhì)量輕、環(huán)境適應(yīng)好、噪聲低。這些優(yōu)點悉數(shù)體現(xiàn)在電動汽車上:

第一，上面所提到的這種通過負載的變化而自動對輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)整的能力稱為電動機的自適應(yīng)負載的能力，相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，具有非常大的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機只能通過操作者人為的調(diào)節(jié)油門的深淺來對此進行控制。而且電動機具有很強的功率容量覆蓋面，可以滿足不同種類汽車的實際需求，扭矩輸出范圍大，提速相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機的實際表現(xiàn)可以用大幅提升來形容。同時又省去了傳統(tǒng)汽車需要的發(fā)動機、變速箱、排氣系統(tǒng)，降低了汽車車身的重量，減少了能源的消耗。

第二，如今最發(fā)達的汽油機做到的熱效率能夠達到百分之四十左右。而現(xiàn)在，國際領(lǐng)先的電動機可以輕松達到百分之九十以上的，降低了能量的損失，提高了能量的利用率，同時在后期的維護保養(yǎng)方面，電動汽車依然具有諸多優(yōu)勢，免去了傳統(tǒng)汽車復(fù)雜的維護手段，降低了后期維護保養(yǎng)所需的成本，體現(xiàn)出電動汽車的另一個優(yōu)勢。在環(huán)保模式下，電動汽車的噪聲很小，消除了傳統(tǒng)汽車的噪聲污染，但是在某些特殊情況下，這種號稱零噪聲的優(yōu)點也有不好的影響，例如視力有障礙的人無法通過聲音的大小來判斷距離的遠近，雖然某些電動汽車也專門為此做了一個噪聲控制系統(tǒng)來降低這種影響，但是仍需要進一步改進。再一個就是震動的控制上，電動汽車因為沒有了傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機和變速箱這兩大震動來源，行駛起來的靜謐性以及同等隔音條件下車廂內(nèi)NVH都相比于傳統(tǒng)的汽油車和柴油車有了質(zhì)的飛躍。

第三，傳統(tǒng)汽車是通過摩擦制動作用，將車輛的動能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉。因此造成了大量的能量耗費，使得效能降低。而電動車所具有的制動能量回收技術(shù)是一個種能夠?qū)⒆詣赢a(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成機械能，最終儲存在電池中，從而增加電動車的續(xù)航里程。電動汽車正常行駛時，電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能。通過切割電磁繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流產(chǎn)生電磁力，這種輸出為電磁轉(zhuǎn)矩，這個力最終成為輪上輸出的扭矩。而在汽車的減速和制動時，切斷電源的電能供給，電動汽車的電機慣性傳動。通過電路切換，向轉(zhuǎn)子提供小功率的勵磁電源，產(chǎn)生磁場，磁場旋轉(zhuǎn)，切割定子繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。此時電動機反轉(zhuǎn)，發(fā)揮了相當于一個發(fā)電機的作用，而通過這種方法產(chǎn)生的電能，最終又重新和儲存在蓄電池內(nèi)，使得電動車的續(xù)航里程，得到了進一步的提高。

四、驅(qū)動電機的未來走向

新能源汽車驅(qū)動電機目前有以下幾個發(fā)展方面:輕量化、高效性、更好地轉(zhuǎn)矩特性、較長的使用壽命以及較高的可靠性、成本低廉、噪聲小。而汽車驅(qū)動電機則體現(xiàn)了以下幾點發(fā)展趨勢:

①電機本體永磁化。永磁電機具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等諸多優(yōu)點。而我國則擁有世界上3/4的稀土資源，因此，高效能的永磁電機則理所當然的成為我國驅(qū)動電機未來的一個發(fā)展趨勢。

②電機控制數(shù)字化。用來提高電機的控制精度，減小系統(tǒng)的體積。

③電機系統(tǒng)集成化。通過機電集成和控制器集成，減少驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積同時有效降低系統(tǒng)的制造成本。