电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

先说下啥叫电机。

顾名思义就是电能和机械能相互转换的机器。

可以将电能转化为机械能,驱动车辆。也可以将机械能转为电能,输送到蓄电池里面存储。

电机的原理,就是电磁装置,磁场对电流受力使得电机转动。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

比如最常见,最早市场化的直流有刷电机。

直流有刷电机:

由定子、转子、电刷、壳体组成,通过旋转的磁场获得转动力矩,由电能转化为动能。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷,转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组,产生电枢电流,电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩,使电机旋转带动负载。

直流有刷电动机是最早出现的电机,因为工艺成熟,所以成本较低。常用于启动(启动大扭矩)和调速要求较高(速度范围宽)的场合,电动自行车、电梯、城市电车和一些大型生产机械中。

做了一个思维导图,可以更清晰知道市面上常见的电机分类。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

综合起来说,直流电动机的启动转矩大(低转速大扭矩),工艺成熟但是效率不高,且体积、质量较大,电刷发热难以解决,且因为有电刷和换向器,结构比较复杂,后期维护成本高。所以现在电机很多都是采用的无刷电机,也就是利用电流方向的切换来进行驱动。

说回到电动汽车的驱动电机上面来。

针对汽车的性能,其搭载的驱动电机要具有以下几点:

1.能频繁启动、加速、减速、制动,也就是要耐用,质量可靠。

2.性能上要启动扭矩大,也就是低速扭矩大,高速时能恒功率、低转矩。

3.质量轻、体积小、集成度高,效能高。

4.调速灵活,响应快,速度可调范围广,适应市区中低速工况和高速工况。

5.适应恶劣环境,如高湿度、低温、高温,颠簸的外界环境。

接下来说现在电动汽车驱动电机的异步电机。

异步电机:

异步电机分为三相异步电机和单相异步电机,三相异步电机运用较多。

比如特斯拉的型号S国产的型号3等 ,奥迪 电子加速器采用的驱动电机都是三相异步电机。

交流异步电机没有电刷,利用交流波形来改变电动机中的磁场来生成转矩。

驱动逆变器将来自电池组的直流电转化为电机定子的三个交流电(DC转AC)电流波形彼此异相120°,在定子中产生旋转的磁场,磁场在转子中感应出电流,感应电流产生与定子磁场相反的第二磁场。

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互相作用的两个磁场产生了电动机的转矩。这里电动机的速度是取决于驱动变频器能承受的交流电频率,而电动机的转矩则取决于交流电的幅度。

以特斯拉为例,其驱动单元主要是三部分:三相交流感应电机、单机变速箱、逆变器组成。

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定子、转子容纳在铝制件内,和变速箱的一半共享,这种高度集成使得电机和变速箱的整体体积缩小,也减少了制造成本,但这种也带来了后期的维修困难(因为不好拆分)。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

接下来说下特斯拉的驱动电机内部的具体构造,这也是其核心技术之一,申请了相关专利。

定子是由一叠钢叠片组成。定子内的温度传感器藏在绕组内部。特斯拉把定子直接连接到变频器,不适用电动机电缆和连接器,这种做法有效降低了系统成本、故障率、辐射排放和总成质量。

转子也是由一叠刚叠片组成,在圆周上均匀分布铜导体条,转子安装在中心轴上,中心轴的两端均有轴承支撑。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

驱动系统使用两通道霍尔效应传感器测量电机速度。传感器监视安装在转子轴上的编码器轮齿的旋转。驱动逆变器控制板使用编码器信号的频率来确定电机速度,并使用两个信号的相位来确定电机方向。

异步电机的结构简单,后期维护方便。广泛应用于机床、水泵等工、农业生产机械和家用电器,如电扇、电冰箱、空调等。

国外的相当部分的电动、混动车型实际采用的都是异步电机。而国内则和国外相反,电动汽车上最常用的电机是同步电机,这个原因后面再说。

同步电机:

国内的电动车之王比亚迪旗下多款新能源,都是用的同步电机。新老电动车势力,如吉利、奇瑞、小鹏、理想也是用的同步电机。

同步电机根据产生磁场方式可以分为电励磁同步电机(转子绕组在外接电流下产生磁场)和永磁同步电机(转子直接加上永磁体)。

以最常用的永磁同步电机举例。

永磁指的是电机的转子上安装了永磁体,采用稀土材料(钕铁硼等)制造,在非高温环境下能够永久保持磁力。

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而同步则表示转子的转速和定子绕组产生的旋转磁场始终保持同步,意味着只要控制输入的电流频率就能控制电动机转子的转速。

具体原理为定子的三相绕组中通过三相对称电流,将会产生定子旋转磁场。定子旋转磁场对于转子旋转在笼型绕组内产生电流,产生转子旋转磁场。定子旋转磁场和转子旋转磁场相互作用产生的异步转矩使得转子由静止到转动。启动完成后,转子绕组不在起作用,由永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用产生驱动转矩。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

以宝马i3为例,其驱动的永磁同步电机只有49公斤,峰值功率为125KW(可持续30秒),最大转矩为250NM

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

永磁同步电动机对比同功率的异步电机来说,体积小,质量轻,输出转矩大,相应速度快,极限转速和制动性能比较好,而且永磁体替代了激磁线圈后也省了电能,所以现阶段国内大部分电动车型实际都采用的永磁同步电机(虽然这个细节基本很难在企业宣传中看到)。

但永磁同步电机的缺点就是在高温,频繁震动等恶劣环境下容易消磁,如电机高温,环境高温,热量集聚的状况,如何在使用中避免磁性衰退,需要提升抗磁化的技术来应对。比如增设负载检测,调低最高负载,增加散热措施,避免频繁启动等。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

宝马i3为避免电机内部温度过高,在运行模式下,温度上限为200℃,在定子绕组内设置了两个温度传感器(NTC型热敏电阻,通过测量电压、电流来计算温度)来监控,对于转子的温度则是通过热量模型进行预估。在高于180℃的时候,宝马就会降低电动机功率。

另外永磁同步电机一个缺点就是永磁材料的昂贵,经常占据到整体材料的50%成本以上。永磁材料需要稀土资源,而在国外稀土属于极为稀缺的资源,价高难得。但中国拥有全球70%以上的易开采稀土资源,所以这一个缺点在国内也不存在了。这也是国外车企宁愿上大体积,大重量的异步电机,也不愿意上永磁同步电机的主要原因之一了。

而三相异步电机则结构相对简单,后期维护成本低,但尺寸大,重量重,同体积同重量的异步电机的输出功率赶不上永磁同步电机,调速的范围也没有永磁同步电机大,但成本较低,且高速性能不差。

最后说下最近比较热门的开关磁阻电机,因为其结构简单,宽转速和宽转矩范围内高效运行,可四象限运行,响应速度快且能耐高温的特点,也被视为电动汽车电机的一个发展方向。

开关磁阻电机

开关磁阻电机的定子双凸极上绕有集中绕组,转子凸极上没有绕组,根据磁路磁阻最小原理产生电磁转矩。当绕组通交流电后,会在气隙形成交流磁场,该磁场从定子流到转子后回流定子形成回路,该回路始终从最小磁阻的路径流过。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

当各电子开关依次控制A、 B、C、D四个定子绕组通电时,转子就会不断受电磁力的作用而持续转动。如果定子绕组按D-A-B-C的顺序通电,则转子就会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转。反之,若按B-A-D-C的顺序通电,则电动汽车电机转子就会沿顺时针方向转动。

根据定子、转子凸极对数的配比,开关磁阻电机可以设计成不同的结构,如图所示。

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

电动汽车驱动电机的类型都有哪些?有哪些优缺点?

但开关磁阻电机也有着很明显的缺点,那就是定子和转子都有齿槽,气隙磁场畸变严重,导致转矩波动大、噪声大、需要精密的位置检测器,另外也没有永磁体,需要额外耗电来产生磁力。现阶段开关磁阻电机还主要运用在木材、五金、玻璃、等行业生产加工中,并没有批量运用在电动汽车上。

(图片来源网络,侵删!)

参考资料:

1.电动汽车电池、电机与电动控制/瑞佩尔主编 北京:化学工业出版社, 2022.1

2、“https://www.elecfans.com/d/1553984.html”

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:将线路接口单元

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