引 言
采用混合电驱动系统方式的电动汽车, 能够显著改善整车的排放性能和燃油经济性。这种方式既利用了汽车发动机持续工作时间长、能量补充快捷、动力性能好的特点, 又发挥了电驱动系统清洁、高效率的优点, 是当前解决节能、环保问题以及实现产业化和市场化的首选方案。在混合电驱动系统中主要包括两种电机: 一是为车辆提供动力性能用的驱动电机, 另一种是用于内燃机起动和为辅助电气设备提供电源的起动发电机。用于混合电驱动系统的电机主要有感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。感应电机的矢量控制技术成熟, 但在小负荷范围内效率低; 开关磁阻电机因其结构简单可靠, 具有一定优势, 但转矩脉动和噪声大; 而永磁同步电机以其高效率、高性能、噪声和转矩脉动小等优势在电驱动技术中得到了广泛的应用。目前, 在车载能源为有限能源供电的前提下, 开发研制具有功率密度高、运行速域宽、可靠性高的永磁同步电机及其驱动系统对于混合驱动技术具有重要的研究意义。
1 研究现状
1.1驱动电机国内外研究状况
根据电动机驱动车轮方式的不同可以分为集中电机驱动型式和轮毂电机驱动型式。集中电机驱动方式通过电机驱动传动轴, 将动力传递至驱动轮, 从而驱动车辆; 轮毂电机驱动方式则不需要中间环节, 将动力直接传递至车轮, 因此结构紧凑, 车身内部空间利用率高。目前, 对电驱动用永磁同步电机研究较多的国家主要是..、美国和欧洲一些发达国家。近年来我国在这方面的研究也逐步增多, 但与国外相比仍有一定差距。
1)集中驱动电机
( 1)..
..的混合电驱动技术以丰田公司最为著名。其混合电动车 prius已经商用化, 并且行销欧美和亚洲国家。丰田公司 1996年在电动车 RAV4中就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机。其下属的..富士电子研究所研制的永磁同步电机可以达到最大功率 50kW, 最高转速13 000 r/min, 电机的整体效率大于 87% , 重量40 kg。
图 1为..丰田公司的 prius电动车用电机。该电机 2004版较 2003年设计在转子结构和永磁体形状上均进行了优化, 使得磁阻转矩有了很大提高, 占总转矩的 40% , 极大提高了电机的功率密度和转速范围。
( 2)欧美国家
在法国 VEDELIC电动车计划中, 选择的新型驱动电机即为 3相永磁同步电机。电机的最大功率为 30 kW, 最大转矩为 145 N# m, 重量为 60 kg,驱动系统效率高于 87% 。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机, 最高转速为 12 500 r/min, 最大输出功率为 32 kW。
美国在电驱动用永磁同步电机的研究方面较..为晚, 但研究同样较为深入。SatCon技术公司 JamesH1Goldie等人采用定子双套绕组技术, 既扩大了电机的转速范围, 又有效利用了逆变器的电压, 绕组电流低, 电机效率高。这种电机在不同转速和功率下的效率特性如表 1所示。
2)轮毂电机
由于轮毂驱动系统动力传动链短, 而且可以通过能源管理和控制策略优化动力分配, 提高驱动系统效率, 降低能源消耗, 改善车辆的动力性能。与集中电机驱动相比, 轮毂电机驱动系统在电驱动系统中更具有优势。
轮毂电机按驱动方式可以分为减速驱动和直接驱动两大类。在减速驱动方式下, 电机一般在高速下运行, 减速机构放置在电机和车轮之间,起减速和增加转矩的作用。
减速驱动的优点是:电机运行在高转速下, 具有较高的比功率和效率;体积小、重量轻, 爬坡性能好, 在低速运行时可获得较大的平稳转矩。不足之处是: 齿轮磨损较快、寿命短、不易散热、噪声大。减速驱动方式适用于过载能力较大的场合。
在直接驱动方式下, 电机多采用外转子形式。其优点主要有: 不需要减速机构, 整个驱动轮结构更加简单、紧凑, 轴向尺寸减小, 效率进一步提高。缺点是在高转矩条件下的大电流易损坏电池和永磁体; 电机效率峰值区域较小, 负载电流超过一定值后效率急剧下降。该方式适用于负载较轻的场合。
( 1)欧美
采用直接驱动形式的外转子永磁同步电动机以德国的磁电机 (MM)公司设计的军用战斗车辆驱动电机最为出名。这类电机通常采用外转子结构,内定子采用集中绕组, 内定子铁心和电枢绕组采用油冷方式; 采用较大的气隙, 轴向长度较短,整机结构紧凑。与传统电机相比, 这种电机的转矩高 4~ 10倍, 并且具有高效率, 维护方便, 控制特性好等优点。
美国近年推出一款新型混合电传动车, 称为先进地面机动车 (AHED), 用于替换 / 悍马 0车。该车仍采用德国磁电机公司 (MM)开发的轮式永磁电动机驱动, 为第四代水冷式电动机, 与行星齿轮装 置相 连。发电 机也 采用 MM 公司 开发 的130 kW的永磁水冷发电机, 如图 2所示。
英国 Q ineti Q公司制造的 6 @6型轮式混合电驱动演示车中采用内转子形式永磁驱动电机。电机外径 320mm, 长 190 mm, 重 45 kg。电机最大转矩 355 N# min, 基 速 2 690 r/min, 最 大 功 率100 kW, 最高转速 9 000 r/min。采用可变速比减速器设计。该公司还参与英国未来快速奏效系统( FRES)的研制。图 3为其设计的轮式驱动电机及其制动系统。
( 2)..
..早期的电驱动系统中采用的并不是内转子式驱动电机, 而是外转子式驱动电机。如: 1991年..研制的 4座电动汽车 IZA, 就是以 4个额定功率为 618 kW、峰值功率为 25 kW 的外转子式永磁同步轮式电机驱动的, 在额定点驱动系统的效率超过 90%。
..在随后开发出的各种功率的轮毂驱动电机中大多采用高速电机匹配减速器的减速驱动系统, 如 ECO、KAZ、 ELLICA 车型中采用的电机。但..仍继续对采用外转子永磁同步电动机的直接驱动系统进行了相关研究, 除早期的 IZA车型外, 近年..研制的 4WD Bus也采用外转子结构,定子绕组为集中绕组, 最大功率和最大转矩分别为 75 kW 和 2 046 N#m。驱动电机内定子和转子如图 4所示。
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1.2 起动 /发电机研究现状
混合电驱动的另一关键技术是起动 /发电机技术 SG( Starter Generator)。SG混合系统的最主要的特点是能够使发动机停止怠速。它允许发动机经常熄火, 必要时再重新起动, 以有效节省怠速与减速时的油耗。在不带怠速关机系统的条件下,SG可省油 2% ~ 3%, 带有怠速关机系统时可省油7% ~ 10%。
在 SG电机类型的开发选用上, 世界各大汽车公司和制造商有不同的策略。丰田 Prius、本田 In2sight及奥迪 DUO(A4)均采用交流永磁同步电机,而西门子公司致力于感应电机系统的开发。
瑞典等国也对永磁同步电机进行了研究, 瑞典皇家技术学院研制了用于 4象限运行新型混合电动车用永磁同步电机。该类电机采用复合结构设计,电机可以根据需要工作在电动机状态和发电机状态。
2 设计技术发展
作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点,对驱动电机的技术要求主要是:
( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度;
( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率;
( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。
2.1 提高电机转矩特性
1)提高输出转矩
..电机工程研究实验室与其它公司合作推出采用双层永磁体的内置式永磁同步电机, 提高了电机的交轴电导, 使电机转矩增加 10% , 最大效率区增加 10% , 最大峰值效率可达 97% 以上,主要运行区域效率可大于 93%。Priusp00直线型永磁体改成 SUVp05的 V 型转子结构后, 通过保持 d轴弱磁所需的最小磁导, 尽量增大 q轴磁导, 使之具有更大的 L q - L d , 增大了凸极率, 获得了更高的磁阻转矩, 提高了转矩密度。后者的合成转矩比前者高 9%, 并且磁阻转矩占合成转矩的比例为 63%。SUV- 2005内置式永磁电动机 /发电机装置如图 5所示。
2)降低转矩脉动
在抑制转矩脉动方面, 通常通过对电机结构进行优化设计来实现。例如: 采用不均匀气隙,在转子上分布圆形孔洞,优化定子齿形 ,优化磁极形状等等。图 6为一种新型永磁体形状设计。磁桥宽度保持不变, 随着角度 H变小, 转矩脉动和齿槽转矩减小 。
2.2 提高比功率
为提高电机的比功率, ..的一些电动汽车中常采用高速电机配以减速器的方式进行驱动。
丰田在其第二代 Prius车中应用内置径向式永磁电机, 通过增加磁阻转矩并进行相关优化, 减小机械损耗和逆变器损耗, 提高了输出功率并保持高效率。
..大阪电机工程研究实验室采用集中绕组和定子分段技术提高了永磁同步电机的功率密度。图 7分别为采用这种技术的电机定子铁心、绕组以及定子部件图。
德国采用定子插入齿技术, 增加铜线的密度也在一定 程度上 提高了 永磁同 步电机 的功率密度。
2.3 提高弱磁扩速能力
由于永磁同步电机转子是永磁体励磁, 导致电机高速时弱磁困难, 调速特性不如直流电机和感应电机, 因此, 弱磁扩速问题成为永磁同步电机的研究热点之一。为提高永磁同步电机的弱磁能力, 实现宽速域运行, 国内外学者提出许多设计方案, 其中较具有代表性的有:
(1) 分段串联式永磁体结构 ( SIPM) BojanStumberger对采用这种结构的24槽、 4极内置径向式永磁电动机进行了分析研究, 表明其调速范围可以达到 5 B1 。同时这种结构还可以明显降低电机的齿槽转矩。
( 2) 复合转子结构 复合式转子由永磁段和轴向层叠磁阻段组成, 两者同轴置于同一定子铁心内。可以对这两部分进行独立设计, 磁阻段用于控制电机直、交轴电抗参数, 以获得需要的凸极比。这种结构可以增大电机的直轴电抗, 扩大电机的转速范围。但这种结构会使转矩密度降低,高速时铁磁损耗很大。
( 3) 交替极结构永磁电机 这种电机的定子由叠片铁心、铁轭以及 3相绕组组成; 沿圆周的直流绕组被放置在定子铁心的中间。转子极分为两部分: 一部分放径向磁化的永磁体, 一部分为铁极结构。该结构容易实现弱磁控制, 但直流绕组的引入减小了功率密度, 对空间体积的要求也增加了。交替极电机如图 8所示。
( 4) 双套定子绕组结构 低速时采用低速绕组提高电机的转矩, 降低电流从而提高电机的效率,高速时采用高速绕组降低电机的反电势, 扩大电机的高速运行范围。美国 SatCon技术公司采用了这项技术; 我国沈阳工业大学和香港大学也对这项技术进行了研究; 香港大学通过实验证明采用双套绕组后永磁同步电机的最高转速可由 2 000 r/min扩大到 4 500 r/m in以上 。
( 5) 转子可轴向移动的永磁电机 通过转子的轴向移动, 减小了每极磁通, 使其实现弱磁 。但这种结构增加了机械设计的复杂性, 如图 9所示。
( 6)采用定子深槽结构 通过采用深槽结构增加直轴漏抗, 从而增加电机的弱磁能力。..KenjiEndo等人采用这种方法设计出的样机最高速度可达 13 000 r/min。但这种方法高速铁 耗比较大。
3 结 论
在混合电驱动技术中, 永磁同步电机驱动系统因其具有的明显优势, 已成为电驱动技术发展中的一个重要研究方向。永磁同步电机无论作为起动 /发电机还是主驱动电机, 均以其高功率密度、高效率和高性能等优势得到了广泛应用。国内外学者对应用于混合电驱动系统的永磁同步电机进行了深入的研究; 采用不同的设计方法和制造抗的分析具有重要意义。本文介绍一种在工作电压下测试超声波电机阻抗特性的方法。用该测试系统, 可以很方便地测量在不同激励电压下的电机输入阻抗, 通过一些外部夹具, 还可以测量不同预压力、不同负载以及不同运行状态下电机阻抗特性。针对超声波电机的非线性, 结合这套测试系统, 可以进一步进行超声波电机的模型分析。
