新能源汽车驱动电机作用及工作原理

11-01

一、什么是电机

电机,顾名思义,就是将电能与机械能相互转换的一种电力原件。当电能转化为机械能时,电机表现出的就是电动机的工作特性,当机械能转化为电能时,电机表现出的就是发电机的工作特性,结合到新能源汽车上,新能源汽车在放电状态下驱动车辆前进或者后退时,表现出的就是电动机特性,在车辆松开加速踏板或者踩下制动踏板时,表现出的就是发电机特性。


二、驱动电机的分类

现阶段的新能源汽车常用的驱动电机包括两种,永磁同步电机及交流异步电机,且大多数新能源汽车采用的是永磁同步电机,只有少部分车辆采用了交流异步电机。


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1. 交流电机

交流电动机主要有两大部件:定子和转子。定子是最外面的圆筒,圆筒内侧缠绕有很多绕组,这些绕组与外部交流电源接通,整个圆筒则与机座连接在一起,固定不动,因此称为“定子”。

在定子内部,要么是缠绕有很多绕组的圆柱体,要么是笼型结构的圆柱体,它们与电动机的动力输出轴连接在一起并同速旋转,因此称为“转子”。转子与定子之间没有任何连接和接触,但是当定子上的绕组接通交流电源时,转子就会立刻旋转并输出动力。

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2. 异步电机

交流电动机的工作原理:通电绕组在旋转磁场里转动。电动机中的定子和转子并不接触,为什么给定子绕组通上交流电后,转子就会旋转呢?其工作原理用到两大电磁定律:电磁感应定律和楞次定律。当定子上缠绕的绕组通上交流电后,由于交流电的特性,定子绕组就会产生一个旋转的电磁场。转子上的绕组是一个闭环导体,它处在定子的旋转磁场中就相当于在不停地切割定子的磁感应线。根据法拉第电磁感应定律,闭合导体的一部分在磁场中做切割磁感应线的运动时,导体中就会产生电流。


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根据楞次定律,感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因,也就是尽力使转子上的导体不再切割定子旋转磁场的磁感应线,这样的结果就是:转子上的导体会“追赶”定子的旋转电磁场,也就是使转子追着定子旋转磁场跑,最终使电动机开始旋转。由于转子总是在“追赶”定子旋转磁场的旋转速度,并且为了能够切割磁感应线而产生感应电流,转子的转速总要比定子电磁场的转速慢一点点(2%~6%),也就是异步运行,所以才将这种产生感应电流的电动机称为异步电动机。

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3. 永磁同步电机

在异步电动机中,转子磁场的形成要分两步走:第一步是定子旋转磁场先使转子绕组产生感应电流;第二步是感应电流再产生转子磁场。在楞次定律的作用下,转子跟随定子旋转磁场转动,但又“永远追不上”,因此才称其为异步电动机。如果转子绕组中的电流不是由定子旋转磁场感应的,而是自己产生的,则转子磁场与定子旋转磁场无关,而且其磁极方向是固定的,那么根据同性相斥、异性相吸的原理,定子的旋转磁场就会推拉转子旋转,使转子磁场和转子本身,一起与定子旋转磁场“同步”旋转。这就是同步电动机的工作原理。


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永磁同步电动机具有较高的功率质量比,体积更小,质量更轻,输出转矩更大,电动机的极限转速和制动性能也比较优异,因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用最多的电动机。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时,其导磁性能可能会下降,或发生退磁现象,有可能降低永磁电动机的性能。另外,稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料,制造成本不太稳定。

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四、电动汽车电机的基本要求

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。

2. 重量轻,以减轻车辆的整体重量。应尽量采用铝合金外壳,同时转速要高,以减轻整车的质量,增加电机与车体的适配性,扩大车体可利用空间,从而提高乘坐的舒适性。

3. 可靠性高、失效模式可控,以保证乘车者的安全。

4. 提供精确的力矩控制,动态性能较好。

5. 效率高,功率密度较高。要保证在较宽的转速和转矩范围内都有很高的效率,以降低功率损耗,提高一次充电的续驶里程。

6. 成本低,以降低车辆生产的整体费用。

7. 调速范围宽。应包括恒转矩区和恒功率区,低速运行输出的恒定转矩大,以满足汽车快速启动、加速、负荷爬坡等要求;高速运行输出恒定功率,有较大的调速范围,以满足平坦的路面、超车等高速行驶的要求。

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。


五、驱动电机的工作原理

动力电池的直流电经过高压配电箱,通过电机控制器中的 DC/AC 变换器将直流电逆变成交流电,提供给永磁同步电机,进而永磁同步电机驱动汽车行驶。

当车辆滑行或制动时,电机控制器控制驱动电机使其处于发电状态,驱动电机利用车辆动能发电,通过电机控制器中的 AC/DC 变换器将三相交流电整流成直流电,回收能量存入动力电池。

为避免驱动电机在工作过程中温度过高,电机冷却循环水管中的冷却液可将多余的热量带走,使其保持在正常的工作温度范围内。

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