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      新能源汽車驅動電機結構與工作原理

      驅動電機是電動汽車驅動系統的核心部件,是車輛行駛的主要執行機構,其特性決定了車輛的主要性能指標,直接影響車輛動力性、經濟性和舒適性。它是把電能轉換為機械能的一種設備,它利用勵磁線圈,產生旋轉磁場形成磁電動力旋轉力矩。導線在磁場中受力的作用,使電機輸出轉矩。


      一、驅動電機的作用

      驅動電機、電控系統、動力電池是電動汽車的核心部分,稱為三電。在電動汽車上,驅動電機替代了傳統汽車上的發動機和發電機,傳統汽車通常是把化學能轉換為機械能驅動車輛行駛,而驅動電機既可以將電能轉換為機械能驅動汽車行駛,也可以作為發電機將機械能轉換為電能,并存儲在動力電池內。


      電機控制器將動力電池的高壓直流電變換為驅動電機的高壓三相交流電,使驅動電機產生力矩,并通過傳動裝置將驅動電機的旋轉運動傳遞給車輪,驅動汽車行駛。圖1所示為驅動電機動力傳輸圖。

      驅動電機動力傳輸圖

      驅動電機不僅可以驅動車輛行駛,而且可以進行制動能量回收。圖2所示為驅動電機制動能量回收示意圖。驅動電機在制動、緩慢減速時,整車控制器發出相應指令,使驅動電機轉換為發電機發電工況,此時驅動電機會將車輛動能轉換為電能,通過電機控制器以電能的形式向動力電池充電。

      圖2  驅動電機能量回收圖

       

      二、驅動電機的特點

      1、體積小、功率密度大

      由于新能源汽車的整車空間有限,因此要求驅動電機的結構緊湊、尺寸小,這就意味著驅動電機和電機控制器的尺寸將受到很大的限制,必須縮小驅動電機的體積,提高電機的功率密度和轉矩密度。因此一般選用高功率密度的永磁同步電機作為驅動電機。


      2、效率高、高效區廣、重量輕

      新能源汽車驅動電機的第二個特點就是效率要高、高效區要廣、重量要輕。由于當前充電樁尚未廣泛普及,續駛里程短一直是新能源汽車的短板,提升續駛里程的方法有:

      提升驅動電機的效率。

      驅動電機的高效工況區要足夠廣,保證汽車在大部分工況下都處于高效狀態。

      減輕驅動電機重量,間接降低整車功耗,提升續駛里程。


      3、安全性與舒適性

      新能源汽車驅動電機還需關注電機自身的安全性和舒適性。

      安全性:即電機的可靠性,電機在惡劣環境下可以正常工作。

      舒適性:即電機在運行時不會使駕駛人產生體驗上的不適感,應關注電機運行時的振動和噪聲情況。

       

      三、驅動電機的組成

      驅動電機組件主要由永磁同步電機、旋轉變壓器、溫度傳感器、冷卻循環水道和殼體等組成。驅動電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置,是驅動電動汽車行駛的動力裝置,是動力總成的核心部件,承擔著電能轉化和充電的雙重功能。


      1、永磁同步電機

      北汽 EV160 驅動電機如圖3所示。EV160 選用的是永磁同步電機。該電機具有效率高、體積小、重量輕及可靠性高等優點。永磁同步電機是電驅系統的重要執行機構,是電能與機械能轉化的部件,依靠內置傳感器來提供電機的工作信息,并將這些信息發送給電機控制器。

       

      圖3  北汽 EV160 驅動電機

      北汽 EV160 永磁同步電機具有電動機和發電機的雙重功能。電動機工作原理是電機控制器分別控制 U 相、V 相和 W 相繞組,或者相鄰繞組的通電、斷電,在相應的繞組或相鄰的繞組中產生磁場,永磁轉子在磁場的作用下同步旋轉,如圖4所示。車輛減速時,永磁同步電機起到發電機的作用。交流發電機的工作原理是車輛減速時,驅動輪通過傳動裝置反拖永磁同步電機轉子運轉,旋轉的永久轉子磁場,分別切割 U、V、W 三相定子繞組,產生三相交流電,如圖5所示。

      圖4  永磁同步電機電動機工作原理

      圖5  永磁同步電機發電機工作原理

      2、旋轉變壓器

      旋轉變壓器如圖6所示,它是一種能轉動的變壓器,主要由旋轉變壓器轉子與定子組成。這種變壓器的一次、二次繞組分別放置在定、轉子上。一次、二次繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關,因此轉子繞組的輸出電壓與轉子的轉角有關。

      圖6  旋轉變壓器

      旋轉變壓器可分為正余弦旋轉變壓器、線型旋轉變壓器和比例式旋轉變壓器。北汽EV160 采用的是正余弦旋轉變壓器,主要用以檢測電機轉子位置,并把其檢測結果傳輸給電機控制器,經解碼可獲知電機轉速。


      當旋轉變壓器勵磁繞組以一定的交流電壓勵磁時,輸出繞組的電壓值與轉子轉角成正弦、余弦函數關系。


      3、溫度傳感器

      溫度傳感器用以檢測驅動電機的溫度,電機控制器用它的信號保護驅動電機,避免過熱。北汽 EV160 采用的是 PT1000 溫度傳感器——鉑電阻溫度傳感器。金屬鉑(Pt)的電阻會隨著溫度變化而變化,并且具有良好的重現性和穩定性,利用鉑的這種物理特性制成的溫度傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器。PT1000 表示在 0℃時,其電阻為 1000Ω。

       

      四、驅動電機的工作原理

      動力電池的直流電經過高壓配電箱,通過電機控制器中的 DC/AC 變換器將直流電逆變成交流電,提供給永磁同步電機,進而永磁同步電機驅動汽車行駛。


      當車輛滑行或制動時,電機控制器控制驅動電機使其處于發電狀態,驅動電機利用車輛動能發電,通過電機控制器中的 AC/DC 變換器將三相交流電整流成直流電,回收能量存入動力電池。


      為避免驅動電機在工作過程中溫度過高,電機冷卻循環水管中的冷卻液可將多余的熱量帶走,使其保持在正常的工作溫度范圍內。

      (來源:電機技術及應用)



       

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