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电动汽车电机阅读:103

    电动汽车电机电机 的供应商是指以车载电源电源 的供应商为动力,电动汽车电机用电机驱动车轮行驶,电动汽车电机符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小,其前景被广泛看好,但当前技术尚不成熟。电源为电动汽车的驱动电动机提供电能,电动汽车电机将电源的电能转化为机械能,通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前,电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池电池 的供应商,但随着电动汽车技术的发展,铅酸蓄电池蓄电池 的供应商由于比能量较低,充电速度较慢,寿命较短,逐渐被其他蓄电池所取代。

基本介绍

    电机:泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。特指发电机、电能机、电动机。

    电动机:俗称马达,是一种将电能转化成机械能,并可再使用机械能产生动能,用来驱动其他装置的电气设备。

    由于电动汽车采用动力电池作为车载能源,其容量受到限制,为尽可能的延长续驶里程,大多数驱动系统都采用了能量回馈技术,即在汽车制动时,通过控制器将车轮损耗的动能反馈到电池中,并使电机处于发电状态,将发出的电输送到电池中。因此,电动汽车的驱动机应该称为电机,而不是我们习惯称呼的电动机。例如中大青山采用的双定子磁悬浮复合转子电机既能将电能转化为机械能,又能将机械能转化为电能。

详细介绍

    电机分类

    除了发电功能外,电动汽车的电机主要还是起电动机的,所以我们以电动机来分类:(只作简单分类)

    1.按工作电源种类划分:可分为直流电机和交流电机。

    直流电机:

    按结构及工作原理可划分:无刷直流电机和有刷直流电机。

    又可分为永磁直流电机和电磁直流电机。

    永磁直流电机按材料又分为稀土、铁氧体、铝镍钴永磁直流电机。

    电磁直流电机按励磁方式又分为串励、并励、他励和复励直流电机。

    交流电机可分:单相电机和三相电机

    2.按结构和工作原理划分:可分为直流电机、异步电机、同步电机。

    异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。

    同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。

    3.按用途分,有驱动电机和控制用电机。

    4.按运转速度分,有高速电机、低速电机、恒速电机和调速电机。

    低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

    工作原理

    1.交流电机

    单相异步电机通过电容移相作用,将单相交流电分离出另一相相位差90度的交流电。将这两相交流电分别送入两组或四组电机线圈绕组,就在电机内形成旋转的磁场,旋转磁场在电机转子内产生感应电流,感应电流产生的磁场与旋转磁场方向相反,被旋转磁场推拉进入旋转状态,由于转子必须切割磁力线才能产生感应电流,因此转子转速必须低于旋转磁转速,故称异步电机。

    三相异步电机不必通过电容移相,本身就有相差120度的三相交流电,故产生的旋转磁场更均匀,效率更高。

    永磁同步交流电动机的磁场由永久磁铁产生,转子线圈通过电刷供电,转速与交流电频率为整倍数(分数)关系(视转子线圈绕组数而定),故称同步电机。

    转子线圈通过电刷供电,定子通过线圈绕组产生旋转磁场的电机,按转子线圈与定子线圈的串、并联关系分别称串励、并励电机。

    2.直流电机

    直流电机有定子和转子两大部分组成,定子上有磁极(绕组式或永磁式),转子有绕组,通电后,转子上形成磁场(磁极),定子和转子的磁极之间有一个夹角,在定转子磁场(N极和S极之间)的相互吸引下,使电机旋转。改变电刷的位置,就可以改变定转子磁极夹角(假设以定子的磁极为夹角起始边,转子的磁极为另一边,由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向)的方向,从而改变电机的旋转方向。

    电机结构

    1.永磁式直流电机:

    由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成。

    定子磁极采用永磁体(永久磁钢),有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。

    转子一般采用硅钢片叠压而成,漆包线绕在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组),其各接头分别焊在换向器的金属片上。

    电刷是连接电源与转子绕组的导电部件,具备导电与耐磨两种性能。永磁电机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。

    2.无刷直流电机:

    由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。

    无刷直流电机的特点是无刷,采用半导体开关器件(如霍尔元件)来实现电子换向的,即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点。

    位置传感器按转子位置的变化,沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置,并在确定的位置处产生位置传感信号,经信号转换电路处理后去控制功率开关电路,按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。

    位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

    采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机,其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上,用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。电动汽车多用的是霍尔元件。

    采用光电式位置传感器的无刷直流电动机,在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件,转子上装有遮光板,光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

    采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机,是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等),当永磁体转子位置发生变化时,电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。

    定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

    电机特性

    用于电动汽车的驱动电机与常规的工业电机不同。电动汽车的驱动电机通常要求频繁的启动/停车、加速/减速,低速或爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,并要求变速范围大。而工业电机通常优化在额定的工作点。因此,电动汽车驱动电机比较独特,应单独归为一类。

    电机要求

    他们在负载要求、技术性能和工作环境等方面有着特殊的要求:

    1、电动汽车驱动电机需要有4-5倍的过载以满足短时加速或爬坡的要求;而工业电机只要求有2倍的过载就可以了。

    2、电动汽车的最高转速要求达到在公路上巡航时基本速度的4-5倍,而工业电机只需要达到恒功率是基本速度的2倍即可。

    3、电动汽车驱动电机需要根据车型和驾驶员的驾驶习惯设计,而工业电机只需根据典型的工作模式设计。

    4、电动汽车驱动电机要求有高度功率密度(一般要求达到1kw/kg以内)和好的效率图(在较宽的转速范围和转矩范围内都有较高的效率),从而能够降低车重,延长续驶里程;而工业电机通常对功率密度、效率和成本进行综合考虑,在额定工作点附近对效率进行优化。

    5、电动汽车驱动电机要求工作可控性高、稳态精度高、动态性能好;而工业电机只有某一种特定的性能要求。

    6、电动汽车驱动电机被装在机动车上,空间小,工作在高温、坏天气、及频繁振动等等恶劣环境下。而工业电机通常在某一个固定位置工作。

命名标准

    国标关于电动车电机的命名标准如下: 派生代号,用大写汉语拼音字母表示

    性能参数代号,用二位阿拉伯数字表示

    产品名称代号,用大写汉语拼音字母表示机座号,以机壳外径(mm)表示

    产品名称代号

    SYT:铁氧体永磁式直流伺服电动机

    SYX:稀土永磁式直流伺服电动机

    SXPT:铁氧体永磁式线绕盘式直流电动机

    SXPX:稀土永磁式线绕盘式直流电

    SWT:铁氧体永磁式无刷直流伺服电动机

    SWX:稀土永磁式无刷直流伺服电动机

检修方法

    电机故障的检修

    电机的故障有机械故障与电气故障两大类,机械故障比较容易发现,而电气故障就要通过测量其电压或电流进行分析判断了,以下介绍电机常见故障的检测与排除方法。

    1、电机的空载电流大

    当电机的空载电流大于极限数据时,表明电机出现了故障。电机空载电流大的原因有,电机内部机械摩擦大,线圈局部短路,磁钢退磁。我们继续往下做有关的测试与检查项目,可以进一步判断出故障原因或故障部位。

    电机的空载/负载转速比大于1.5,打开电源,转动转把,使电机高速空载转动10s以上。等电机转速稳定以后,测量此时电机的空载最高转速N1。在标准测试条件下,行驶200m距离以上,开始测量电机的负载最高转速N2。空载/负载转比=N2÷N1。

    当电机的空载/负载转速比大于1.5时,说明电机的磁钢退磁已经相当厉害了,应该更换电机里面整套的磁钢,在电动车的实际维修过程中一般是更换整个电机。

    2、电机发热

    电机发热的直接原因是由于电流大引起的,电机电流I,电机的输入电动势E1,电机旋转的感生电动势(又叫反电动势)E2,与电机线圈电阻R之间的关系是:I=(E1-E2)÷R,I增大,说明R变小或E2减少了。R变小一般是线圈短路或开路引起的,E2减少一般是磁钢退磁引起的或者是线圈短路,开路引起的。在电动车

    的整车的维修实践中,处理电机发热放障的方法,一般是更换电机。

    3、电机在运行时内部有机械碰撞或机械噪音

    无论高速电机还是低速电机,在负载运行时都不应该出现机械碰撞或不连续不规则的机械噪音。不同形式的电机可运用不同的方法进行维修。

    4、整车行驶里程缩短、电机乏力

    车续行里程短与电机乏力(俗称电机没劲)的原因比较复杂。但是当我们排除了以上4种电机故障之后,一般说来,整车续行里程短的故障就不是电机引起的了,这和电池容量的衰减,充电器充不满电,控制器参数漂移(PWM信号没有达到100%)等有关。

    5、无刷电机缺相

    无刷电机缺相一般是由于无刷电机的霍耳元件损坏引起的。我们可以通过测量霍耳元件输出引线相对霍耳地线和相对霍耳电源的引线的电阻,用比较法判断是哪只霍耳元件出现故障。

    为保证电机换相位置的精确,一般建议同时更换所有的三个霍耳元件。更换霍耳元件之前,必须弄清楚电机的相位代数角是120°还是60°,一般60°相角电机的三个霍耳元件的摆放位置是平行的。而120°相角电机,三个霍耳元件中间的一个霍耳元件是呈翻转180°位置摆放的。

    电机拆装与保养

    一、电机的拆卸

    电机转子与定子的径向间隙叫做气隙(空气间隙),一般电机的气隙在0.25-0.8mm之间,当拆卸完电机排除了电机故障之后,一定要对原来的端盖记号进行装配,这样可以防止二次装配后的扫膛现象。

    二、电机内齿轮的润滑

    如果有刷有齿轮毂电机与无刷有齿轮毂电机运行的噪音开始变大,或者更换了电机内的齿轮,应将齿轮所有齿面涂满润滑脂,一般使用3号润滑脂或厂家指定的润滑油。

    三、电机的组装

    在组装有刷电机之前,请检查刷握里面弹簧的弹性,检查炭刷与刷握是否有碰擦,检查炭刷在刷握里是否能达到最大行程,注意炭刷与换相器的正确定位,以免卡坏炭刷或刷握。

应用特点

    无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动车,是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。

    (1)寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中,由于电机转速较高,电刷和换向器磨损较快,一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大,特别是传动齿轮的润滑问题,是目前有刷方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因此无刷直流电动机的优势很明显。

    (2)效率高、节能。一般而言,因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗,以及调速电路损耗,效率通常可高于85%,但考虑到实际设计中的最高性价比,为减少材料消耗,一般设计为76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗,通常在70%左右。

电机组成

    在电动自行车行业,电机一般指电机总成,包括电机心、减速机构等。下面我们讲的电动自行车均指电机总成。

    一、电机的拆卸

    拆卸电机之前应首先拔开电机与控制器的引线,此时一定要记录下电机引线颜色与控制器引线颜色的一一对应关系。打开电机端盖之前应清洁作场地,以防止杂物被吸在电机内的磁钢上。做好端盖与轮毂相对位置的标记。注意:一定要对角松动螺钉,以免电机外壳变形。电机转子与定子的径向间隙叫气隙(空气间隙),一般电机的气隙在0.25-0.8mm之间,当拆卸完电机排除了电机故障之后,一定要对原来的端盖记号进行装配,这样可以防止二次装配后的扫膛现象。

    二、电机内齿轮的润滑

    如果有刷有齿轮毂电机与无刷有齿轮毂电机运行的噪音开始变大,或者更换了电机内的齿轮,应将齿轮所有齿面涂满润滑脂,一般使用3号润滑脂或厂家指定的润滑油。

    三、电机的组装

    在组装有刷电机之前,请检查刷握里面弹簧的弹性,检查炭刷与刷握是否有碰擦,检查炭刷在刷握里是否能达到最大行程,注意炭刷与换相器的正确定位,以免卡坏炭刷或刷握。

    安装电机的时候,首先应清理电机部件表面的杂质,以免影响电机的正常运转,并且一定要将轮毂体固定结实,以免安装时由于受磁钢的强力吸引,造成部件相互撞击、损坏。检测36V正常,控制器输出5V、12V正常,电动机电阻正常。把电动机直接连接到36V电池上,电动机运转正常。

发展经历

    永磁无刷直流电机

    通过改变永磁直流电机的定子和转子的位置,就可以得到永磁无刷直流电机。需注意到是“直流”这个术语会引起误解,因为它并不是指直流电机,实际上它采用交流方波供电,所以也称为永磁无刷方波电机。它最大的优点是无刷,消除了电刷带来的许多问题。而且方波电流方波磁场相互作用可以产生更大的转矩。佛山照明沈大卫教授给的全称就是“永磁无刷方波力矩电机”。

    永磁无刷同步电机

    用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组,就能去掉传统的电刷、滑环和励磁绕组的铜损,由于采用正弦交流电及无刷结构,又叫永磁无刷交流电机。其优点是高能量密度和高效率,其恒功率区域有更宽的转速范围,并可以以矢量控制方法来满足电动汽车的高性能要求。如南车时代的电机。

    异步电机驱动系统

    异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高。

    异步电机矢量控制调速技术比较成熟,使得异步电机驱动系统具有明显的优势,因此被较早应用于电动汽车的驱动系统,仍然是电动汽车驱动系统的主流产品(尤其在美国),但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。

    最大缺点是驱动电路复杂,成本高;相对永磁电机而言,异步电机效率和功率密度偏低。

发展趋势

    电机驱动系统

    从20世纪80年代开关磁阻电机驱动系统问世后,打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式;并随着磁阻电机,永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展,交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代;新的电机拓朴结构与控制方式层出不究,推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。

    SRD开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固,适合于高速运行,并且驱动电路简单成本低、性能可靠,在宽广的转速范围内效率都比较高,而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行,是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大、噪声大;此外,相对永磁电机而言,功率密度和效率偏低;另一个缺点是要使用位置传感器增加了结构复杂性、降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。

    永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机,永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩,永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动,以利于它在电动车辆驱动系统中应用。

    转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力,类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制,符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调速的需求。该电机的研究处于探索阶段,电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善,作为电动车辆牵引电机具有较强的潜在的竞争优势。

    此外,正在研发的热点课题还有:

    具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统;

    车轮电机驱动系统;

    动力传动一体化部件(电机、减速齿轮、传动轴);

    双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统。

    电子伺服系统

    1993年美国能源部、商务部、贸易部、国防部、环保局、宇航局、国家科学基金会七个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司,克莱斯勒、福特和通用,建立了新一代车辆伙伴关系(PNGV,Partnership for a New Generation of Vehicles),目标是开发新一代机动车技术,以增强美国汽车工业的实力。1998年至2002年期间,美国国家自然科学基金(NSF)资助美国国家电力电子中心(由美国Virginia和美国Wisconsin等四所大学组建)研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统和各种车辆专用IC模块,提高汽车电子电气部件的可靠性,降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点,增强在国际市场的竞争力。线控的汽车电子伺服系统(X-by-wire)在未来将是十分重要的技术,该技术可将各种独立的系统(如转向、制动、悬挂等)集成到一起由计算机调控,使汽车的操纵性、安全性以及汽车的总体结构大大改善,设计的灵活度也大大增加。电子动力方向盘和线控刹车已经在一些欧洲车型上被采用,在这个系统中已经削减了相当多的机械部件,如液压泵等。汽车电子伺服技术是具有革命性的技术,随着这个技术的使用,许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失,而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。

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