|
开关磁阻电动机在新能源汽车中的应用时间：2016-03-26 我国车用电机在全球资源条件下具有明显的比较优势，发展潜力较大。从新能源汽车的产业链来看，受益端将主要集中在核心零部件领域。国内车用驱动电机行业现状：电机业中的小行业、但制造门槛高，电机驱动系统还存在较多差距与不足，但国内政策扶持将加快产业步伐。作为新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，驱动电机及其控制系统未来发展前景可观。
1驱动电机系统简介新能源汽车具有环保、节约、简单三大优势。在纯电动汽车上体现尤为明显：以电动机代替燃油机，由电机驱动而无需自动变速箱。相对于自动变速箱，电机结构简单、技术成熟、运行可靠。 传统的内燃机能高效产生转矩时的转速限制在一个窄的范围内，这就是为何传统内燃机汽车需要庞大而复杂的变速机构的原因；而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效产生转矩，在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置，操纵方便容易，噪音低。 与混合动力汽车相比，纯电动车使用单一电能源，电控系统大大减少了汽车内部机械传动系统，结构更简化，也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪音，节省了汽车内部空间、重量。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电动汽车中的燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV三大类都要用电动机来驱动车轮行驶，选择合适的电动机是提高各类电动汽车性价比的重要因素，因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求，并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的电动机驱动方式显得极其重要。 驱动电机系统是新能源车三大核心部件之一。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电动汽车的整个驱动系统包括电动机驱动系统与其机械传动机构两个部分。电机驱动系统主要由电动机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成，结构如下图所示。电动机一般要求具有电动、发电两项功能，按类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电动机，如图3。功率转换器按所选电机类型，有 DC/DC 功率变换器、DC/AC 功率变换器等形式，其作用是按所选电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源。 电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于实现电能向机械能的转换。运行时从电系统吸收电功率，向机械系统输出机械功率。电机驱动系统主要由电机、控制器（逆变器）构成，驱动电机和电机控制器所占的成本之比约为1:1，根据设计原理与分类方式的不同，电机的具体构造与成本构成也有所差异。电机的控制系统主要起到调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目的。针对不同类型的电机，控制系统的原理与方式有很大差别。
电动机驱动系统的基本组成框图
电机的分类（按原理）
2电动汽车对驱动电机的基本要求（1）电机结构紧凑、尺寸小，封装尺寸有限，必须根据具体产品进行特殊设计。 （3）可靠性高、失效模式可控，以保证乘车者的安全。 （8）瞬时功率大，过载能力强。要保证汽车具有4~5倍的过载能力，以满足短时内加速行驶与最大爬坡的要求。 （9）环境适应性好。要适应汽车本身行驶的不同区域环境，即使在较恶劣的环境中也能 够正常工作，具有良好的耐高温、耐潮湿性能。 （10）制动再生效率高。在汽车减速时，能够实现反馈制动，将能量回收并反馈回电池，使得电动汽车具有最佳能量利用率。 （11）其他。结构简单，价格低廉，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便。 （12）与一般工业用电机不同，用于汽车的驱动电机应具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高的特性，此外，还要求可靠性高、耐高温及耐潮、结构简单、成本低、维护简单、适合大规模生产等。未来我国电动汽车用驱动电机系统将朝着无磁化、数字化和集成化方向发展。 3开关磁阻电机在新能源汽车中的应用（1）开关磁阻电动机简介 开关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。 开关磁阻电机覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动调速系统。使的开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用（电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。 开关磁阻电动机工作原理：开关磁阻电动机的运行遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿磁阻最小的路径闭合。而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。
（2）开关磁阻电机特点 它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。因而可靠性好，转速可达15000 r/min。效率可达85%～93%呢，比交流感应电动机要高。损耗主要在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性，而且在很广的范围内保持高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。 开关磁阻电机还具有在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象运行、响应速度快、成本较低等优点。工艺性好，适用于高速，环境适应性强；电机转矩的方向与绕组电流的方向无关；适用于频繁启停以及正反向转换运行；启动电流小，转矩大；可控参数多，调速性能好；具有较强的再生制动能力；定子和转子的材料均采用硅钢片，易于获取和回收利用。 位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。
（3）开关磁阻电动机的控制系统 开关磁阻电动机驱动系统的核心是开关磁阻电动机(SRM)，它涉及到电动机，电力电子，微机，控制，光电转换，角度测量等等多学科知识，结构比较复杂，控制系统要求也比较独特，感应电动机和永磁同步电动机的控制方法通常难以满足系统的控制要求。目前电动汽车应用较少。它的主要研究方向是模型研究。由于开关磁阻电机具有明显的非线性特性，系统难于建模，一般的线性控制方式不适于开关磁阻电机系统。目前主要利用模糊逻辑控制、神经网络控制等。 它的控制系统包括功率变换器、控制器和位置传感器及速度检测器等部分。 ①功率变换器 开关磁阻电动机的励磁绕组，无论通过正向电流或反向电流，其转矩方向不变，期换向，每相只需要一个容量较小的功率开关管，功率变换器电路较简单，不会出现直通故障，可靠性好，易于实现系统的软启动和四象限运行，具有较强的再生制动能力。成本比交流三相感应电动机的逆变器控制系统要低。 ②控制器 控制器由微处理器、数字逻辑电路等元件组成。微处理器根据驾驶员输入的命令，同时对位置检测器、电流检测器所反馈的电动机转子位置，进行分析、处理，并在瞬间做出决策，发出一系列执行命令，来控制开关磁阻电动机适应电动汽车不同条件下运行。控制器性能好坏和调节的灵活性，取决于微处理器的软件和硬件的性能配合关系。 ③位置检测器 开关磁阻电动机需要高精度的位置检测器，来为控制系统提供电动机转子的位置、转速和电流的变化信号，并要求有较高的开关频率以降低开关磁阻电动机的噪声。 目前国内对开关磁阻电机的已经由基础研究逐渐走向了实际应用，并在新能源汽车小批量推广。 4各种电机的比较
我们先比较各种电机的发展历史，有刷直流电机、一般同步电机、感应电机与有刷磁铁电机商品化历史最长，其产品更新换代不断，而且迄今还在应用。而自上世纪80年代开始进入商品化的表面永磁同步电机与1980年代以来研制开发的开关磁阻电机、内置式永磁同步电机以及最新的同步磁阻电机相继进入市场，并在电动汽车与混合动力车上获得应用。 就目前发展水平，各类驱动电机基本性能比较如下：
各类驱动电机基本性能比较
然后再比较各种电机在哪些新能源汽车上应用比较广。异步电机主要应用在纯电动汽车，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中。而从中国不同种类新能源汽车驱动电机的应用来看，目前交流异步感应电机和开关磁阻电机主要应用于新能源商用车，特别是新能源客车，开关磁阻电机也开始在乘用车上应用；永磁同步电机主要应用于新能源乘用车。
5各种电机的在我国的发展现状(1)交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满足整车需求，大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。 (2)无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设计能力。 (3)永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，开发了不同系列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。 <p style="margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; padding: 0px; color: rgb(51, 51, 51); font |
