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详解电动汽车电机与工业电机有什么区别?

内容简介:普通工业电机对于体积尺寸和重量没有这么严格的要求,因为工业场地巨大,一般以满足工业目标为第一目的。电动汽车电机的难点就在于提高功率重量密度和功率体积密度。越小,越轻,功率越大的电机,越好。
      这个答案由 三相对称电流通过向dq坐标轴上投影得到的Id、Iq与通过park变换得到的Id、Iq有什么区别和联系么? - w浩森的回答 这个问题延伸而来,其中的电动汽车电机部分我想在这个问题下单独详细作答。因为这两个话题的受众不同。之前那个问题主要针对于初学电机的学生,这个问题可能更多的针对于工业从业者,电机设计师等等。
      首先,先推荐一篇电动汽车方面的经典文献:Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document结合这篇文章,我详细写一下电动汽车电机和普通工业电机的异同。

相同点:
      1. 都是电机看似废话哈,我想说的是,电动汽车电机也是电机的一种罢了,没有什么特别的。分析方法逃不过普通的电磁分析方法,计算工具也都是有限元软件,仿真求解器都是基于Transient Solver,电磁方程逃不过麦克斯韦方程组。没什么大不了的,就是一种负载要求特殊的电机。
      2. 分类和控制都一样电动汽车也分感应电机和永磁电机两大类,控制理论和方法和工业电机没有任何区别。

不同点:
      1. 严格的体积要求和重量要求因为是车载,所以这方面要求突出。普通工业电机对于体积尺寸和重量没有这么严格的要求,因为工业场地巨大,一般以满足工业目标为第一目的。电动汽车不同,尺寸和重量决定了汽车的动力性能和驾驶体验,直接影响产品的质量。所以,电动汽车电机的难点就在于提高功率重量密度和功率体积密度。越小,越轻,功率越大的电机,越好。
      2. 独特的转矩特性启动或低速时要求超高转矩,将汽车速度以最快的方式泵升至期望速度。一般工业电机并没有这么高的启动速度要求。同时,高速时需要提供足够的功率,使得汽车可以高速巡航。
      3. 宽调速范围最高速度可能是电机基速的4倍甚至更高。目前电动汽车最好的方案莫过于省去多档变速箱,只使用固定档的齿轮组。如此,则要求电机的调速范围越宽越好。以特斯拉的Model S 基本款为例,电机最高RPM能达到18000转/分钟,相当可怕。这对于电力电子调速器来说是一个非常大的考验。
      4. 全范围效率要求电动汽车不像电力机车由受电弓供电,电动汽车由电池供电,巡航范围完全取决于电机效率。电机效率每提高1%,巡航里程就可相应增加1%。所以对于电机的效率要求很高。能高一点,就是胜利,每一点能量都要优化。
      5. 其他至于噪音小,稳定性高,散热合理,性价比等等我就不提了,这些是基本要求。

技术细节:
      1. 转矩-转速 效率分布图:

      电动汽车电机的效率分布图最好能如下图:

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      (图片来源:Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document)电动汽车主要运行在黄色区域,不会经常启动,也不会超高速持续运行,更多的是在中间部分加速减速。所以对于效率范围来说,最好能在黄色区域有较高的效率。相应的,我们希望黄色的区域能够朝着三个方向延伸,从而满足最大能量利用率。

      2. 调速曲线:

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      (图片来源:Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document)和普通电机基本类似,不同的是更为宽广的恒功率区域;极速可达到基速的4倍。

      3. 电机漏磁通越小越好!这一点和工业电机大不相同。这一点主要是针对感应电机的。拿一般的和电网直连的工业感应电机为例,转子侧的开槽简直可以被称之为“花式开槽”。有深槽,有双槽,有斜槽。这些设计有些是为了改善启动特性,有的是为了折衷低速和高速的性能,有的是为了降低转矩脉动。可是这些花式开槽都增加了漏磁通。电动汽车电机是由逆变器精确控制的,所以所有的启动特性统统和传统电机不一样。由于控制器可以控制启动时的频率和幅值,所以不会有直连电网电机的那些缺点。这时候就要求漏磁通缺少越好,槽越浅越宽越好!同时,适当的增加气隙宽度,降低高频谐波分量的阻抗。如果条件允许,尽量使用铜鼠笼,不要使用铝鼠笼(电阻大)。这些特点在特斯拉汽车的感应电机上表现的淋漓尽致:

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      4. 永磁电机永磁电机主要应用于混合电动汽车。混动汽车上100%的电机都是永磁电机。完美的市场份额。为什么?因为体积小,质量轻,功率密度高。永磁分为BLAC(无刷交流)和BLDC(无刷直流)两种。两种电机构造基本相同,唯一区别在于控制的电流波形。BLAC是正弦波,BLDC是矩形波。相对来说,BLAC的性能略微好于BLDC,但是优势不太明显。永磁电机以丰田汽车的Prius电机最为著名:

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      整机的设计基本上已经到达了现阶段电机设计的极限,堪称工艺品。其微调过后的永磁斜槽:
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      以及堪称教科书式的效率分布图:
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      都是值得深入学习的典范。

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