
谈谈新能源混合动力车辆— 电驱动关键技术(3)
在新能源汽车领域中,混合动力汽车是由传统燃油车过渡到燃料电池汽车的必经之路,而对混合动力汽车的研究至关重要,无论是国内的上汽、比亚迪、长城、吉利,还是国外的丰田、本田、通用等都有相应的混动产品来满足日益严格的排放和油耗法规要求。
因此,对混合动力车辆电驱动系统的研究尤为重要,特别是动力总成以及附属部件的关键技术,接下来,会对电驱动系统中的电机和电池技术做一个全方位的介绍,让大家对混合动力系统的电驱动系核心部件:电机和电池有更加深入的理解和认识。
上一讲,笔者对三相交流电机的基础知识、分类、物理现象以及关键参数进行了详细介绍,本讲接着上一讲的内容,对电机系统中的感应电机、永磁电机以及开关磁阻电机做进一步的深入讲解。
首先介绍感应电机,感应电机分两种:笼型感应电机和绕线转子式感应电机。
笼型感应电机结构坚固,成本低,大多数被用于工业行业,转子绕组由短路绕组组成,绕组由槽内的条状铜导体和端环构成;绕线转子式感应电机的转子末端通过集电环与外界相连,集电环可控制电机转速。
下图所示为三相感应电机的定子电路图、转子电路图、磁轴示意图。
三相感应电机的定子电路图、转子电路图、磁轴
由上图可知,转子转速和定子同步转速的差值表达式为:
关键参数:
We为同步转速;Wm为电机转速或者转子转速。
而对应于感应电机的鼠笼结构如下图所示:
感应电机鼠笼结构
因此,感应电机的转差频率表达式如下:
关键参数:
s为转差率;f为频率;fslip为转差频率。
接下来,介绍永磁电机。
永磁电机采用永磁体来产生气隙磁通量,永磁体代替了直流电机中的磁场线圈和感应电机中定子的励磁体,永磁同步电机的同步结构如下图所示:
永磁同步电机结构
对于永磁电机,大致分为两类:
1、永磁同步电机,类似于感应电机,定子磁场在匀速转动,感应波形呈正弦曲线,可以对其进行矢量控制和dq变换;
2、永磁无刷直流电机,产生的感应电压呈梯形分布,相电流为长方或正方波形,这类永磁电机也被称为方波或者电子整流电机,定子磁场呈方波脉冲阶跃变换。
而永磁电机的一个核心点就是永磁体特性,如下图所示:
永磁体特性图
对于永磁体,可看做磁动势源,也可以看成一个恒流源,永磁体的磁导率比空气的磁导率略微高一点,由上图永磁体的特性图可以看出:工作点只要在B-H曲线图的线性区域内,则永磁体的磁性就不会衰退,但若磁通密度减少并低于拐点Bd以下时,就会存在磁损。
在交流电机励磁范围内,使用永磁体有以下几个特点:
1、永磁体结构紧凑,不需要连接外部固定电路就可以提供无损耗的磁场,且这个优点特别适合小型电机;
2、大型同步电机利用转子导体来提供励磁,虽然在励磁电路中存在损耗,但与高成本的永磁体相比,消耗较少;
3、小型电机对磁动势的要求较小,阻抗影响占主导地位,并直接导致了低效率;
4、绕组的截面积随着电机体积的变小而变小。
基于永磁体的以上特点,尽管永磁电机的体积相对较大,但它仍然是电动汽车和混合动力汽车用驱动电机的首选,在目前的几乎所有混合动力汽车中,均选择永磁电机作为驱动电机,主要是由于永磁电机的高功率密度和优异的性能决定的。
由永磁电机的结构及永磁体特性可知永磁电机可连续输出转矩,表达式如下:
关键参数:
Te为电机转矩;Lm为电感;If为等效电流。
在了解了感应电机、永磁电机基础上,最后对开关磁阻电机进行详细介绍。
对于开关磁阻电机,一般为双凸极结构,其每相均有独立绕组,为单边励磁电机,定子和转子均由磁钢片堆叠而成,转子中没有绕组和永磁体;相对的两极定子绕组并联或串联在一起形成电机的一相,当定子的某相通电后,为了减少磁路的阻抗,离该定子凸极最近的转子凸极会向其运动,若按相顺序依次通电时,开关磁阻电机能产生顺时针(逆时针)的恒转矩。下图为四相开关磁阻电机磁通—转角—电流关系图。
四相开关磁阻电机磁通—转角—电流关系
当某一相的转子和定子凸极完全对齐时,此时产生最小的磁阻,定义为该相的对准位置,此时该相非饱和电感的值最大,随着该相转子凸极的转动,非饱和电感值逐渐减少,当某相转子的凸极和定子的凸极不重合时,称为非对准位置,此时该相的电感值最小。
此外,开关磁阻电机也存在其他类型的定子/转子极数结构,但不足是当定子和转子的位置完全对准时,不能产生起动转矩,存在死点(零转矩点),而当高配比定子/转子磁极组合的电机,转矩脉动较低,不会出现起动转矩为零的问题。
对于开关磁阻电机,结合以上分析,其结构主要优点:
1、结构简单,容易冷却,起动转矩较高,转子耐高温;
2、容错能力强,不会出现直通短路故障;
3、与感应电机相比,开关磁阻电机的控制更为简单。
主要缺点:
1、提高了对逆变器功率的要求,且每安培对应的效率和转矩降低;
2、转矩脉动和噪声较大,与其他电机相比,由于双凸极结构和每相独立产生分散转矩会导致较高的转矩脉动,高转矩脉动会在直流电源中产生大的波动电流,因此,需要一个大的滤波电容进行缓冲。
以上为笔者本次分享的内容,在下一讲中会对电机驱动系统的组成、原理等做深入介绍分析。
未完待续!
原文作者:SOA开发者
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