谈谈新能源混合动力车辆— 电驱动关键技术(2)

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，笔者对电机基础知识、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，对电机系统中的三相交流电机、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。

对于三相交流电机，与直流电机相比，最主要的区别在于：前者的电枢电路位于结构的固定部分上，而后者的电枢电路位于转子上；而交流电机电枢电路在定子上的最大优点是取消了直流电机中换向器和电刷结构，交流电机需要的变化输入可以由直流电源通过DC/AC变换器提供。

对于交流电动机的形式，可以分为单相和多相构型；单相交流电机用于小功率设备，大功率电机通常都是三相的结构，交流电机中用于产生转矩的转子磁动势产生自转子回路。典型的交流电机的三相绕组和磁轴如下图所示：

交流电机的三相绕组和磁轴

上图表示三相交流电机的定子绕组沿定子圆周方向正弦分布，产生了一个正弦磁动势波形。

对于三相交流电机的磁通密度和磁动势，数学表达式为：

关键参数：

L为气隙长度；B为磁通密度。

对于定子和转子铁心材料的高磁导率，磁动势主要存在于气隙中，磁动势的方向为径向，这主要是由于气隙在径向的长度相对小于定子内径；不论电流的方向如何，磁动势的幅值总是沿a相磁轴方向出现，这是由单相绕组产生的磁动势的特征，如下图所示：

a相绕组沿定子圆周的正弦分布

很显然，上图表示三相交流电机的a相定子绕组的电流产生一个正弦a相磁动势。

因此，绕组的正弦分布表达式为：

关键参数：

Np为单位弧度下的最大线圈匝数或导体密度。

而a相绕组中导体密度的正弦分布表达式为：

关键参数：

Ns为总线圈匝数。

此外，对于极对数，通过有效的利用定子和转子的铁心材料可以将电机设计为多对磁极；

在多对磁极的电机中，电、磁变量(包括感应电动势、磁动势和磁通密度)可以在电机旋转一周内完成数个周期变化，以a相磁轴逆时针方向进行测量，可得正电流的磁场分布。下图为典型a相磁动势分布。

a相磁动势分布

上图表示三相交流电机的a相电磁力是角度的函数。

很显然，转动的电角度和机械角度以及相应的转速表达式为：

关键参数：

P为极对数；W为转角弧度。

由上可知，电磁力的数学表达式为：

关键参数：

Ns为总线圈匝数；P为极对数；I为电流。

由以上三相交流电机的基础和物理现象作为铺垫，接下来介绍三相交流电机的空间矢量表示方法，它是矢量控制的基础；三相交流电机电路中存在的大量耦合，通过应用轴转换或参照系理论对各相电压表达式进行解耦，并通过运用控制算法实现最佳的性能。

首先，如下图所示，表示abc参照系下的空间矢量及其构成。

空间矢量及其构成

上图表示三相交流电机的定子电流的空间矢量。

空间矢量的特点是：空间矢量可以用相量表达电路中随时间正弦变化的电压与电流的方法，大大简化了三相系统在坐标系中的等效表达式。

因此，三相交流电机中定子上的磁动势用空间矢量可表示为：

关键参数：

力为正弦空间分布函数；角度表示峰值位置与a相磁动势轴线的位置关系。

其次，在交流电机典型的运行方式下，定子绕组的输入为一组平衡电压，因为绕组的电流的对称性，所以流过绕组的电流为一组平衡集；假设转子为开路，且流经定子绕组的所有电流都为产生定子磁动势所需的励磁电流，且三相电流具有相同的幅值和频率。下图为不同角度下产生的电磁力空间矢量。

不同角度下产生的电磁力空间矢量

上图表示三相交流电机在不同时刻产生的空间矢量关系。

因此，三相交流电机中电流在时域内可表示为：

关键参数：

电流为流过绕组的一组平衡集；角度表示峰值位置与a相磁动势轴线的位置关系。

以上公式表示绕定子圆周以等于定子输入电压角频率的一个恒定角速度旋转时，定子磁动势有一个恒定的幅值。

此外，在理想情况下，不包含转子的定子绕组等效电路由一个输入电压源和一套被称为磁化电感或互感的绕组组成；实际电路在理想电路中加上了定子绕组的电阻，并在磁化电感中串联上了漏电感。

因此，三相交流电机的磁化电感表达式为：

关键参数：

r为气隙半径；l为转子的轴向长度；lg为气隙长度。

从以上公式可以看出：电感电压可以看作由以同步转速旋转的磁通密度产生的反电动势。

通过对三相交流电机的物理现象和结构特点进行了详细介绍，因为，目前新能源车辆无论是混合动力汽车还是纯电动汽车，电机系统都是交流的，因此，对交流电机的认识要十分深刻才能与整车控制器进行协调控制，也就是说基于对交流电机的深刻理解将有助于整车控制器控制策略的编写和实施；此外，对于电池管理系统以及其他附件系统，也有助于控制的统一协调和管理。

以上为笔者本次分享的内容，在下一讲中会接着对电机系统中的三相交流电机基础与物理现象，对感应电机、永磁电机以及开关磁阻电机做进一步的深入讲解。

原文作者：SOA开发者

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