电动汽车的核心部件是为车轮提供机械动力和转矩的电机。

电动汽车的核心部件是为车轮提供机械动力和转矩的电机。与电动汽车中的其他部件一样,电机的重量、效率和紧凑性是关键参数。安装在电机上的磁体通常由稀土金属(如钕)制成,而稀土金属供应短缺,再加上制造电池所需其他材料的短缺,因此电机的优化设计至关重要。

全球变暖的极端影响在各个纬度都能感受到,为应对全球变暖的影响,电动汽车的部署正日益壮大。电机是所有电动汽车动力系统的重要组成部分,以具有竞争力的成本提高功率密度和效率的目标正在加速新电机架构的设计。

电机驱动系统总体方案

图1:电机控制总体方案。

图2:电动汽车架构和能量流。(来源:Hayes, J. G.和Goodarzi, G. A.,2018年)

1显示了电机驱动系统最一般的方案。电源转换器产生调节后的电能,用于驱动电机,电机的输出是机械能。图2代表了典型的电动汽车架构,它具有从油井到车轮的整体效率,能耗全部来源于此。相比之下,内燃机的油井至车轮效率分别为14%和17%,具体取决于它是基于奥托循环还是柴油循环。

电机可分为直流电机和交流电机。每种电机类型均由两个主要物理部件组成:定子是静止部件,转子是旋转部件。主要的交流电机类型使用三相交流电来产生旋转磁场,其频率和功率由对加速器做出反应的电力电子电路控制。

交流和直流电机基于相似的物理原理。速度和转矩是电压、电流和磁通量的函数。电磁机器的简单方程可以表示为Tem=kI,其中Tem是转矩2,k是取决于磁性材料的机器常数,I是提供给机器的电流。在电机绕组上感应的反电动势电压(E)与电机转子的角速度(ωr)之间存在类似的关系:E=kωr。这两个方程源自著名的安培力定律和法拉第感应定律。

电机要求

所有电动汽车的性能都受到电机规格的影响,并由电机的转矩速度曲线和功率速度曲线决定。效率高、重量轻、功率密度大、尺寸小、可靠性高和成本低是基本要求。此外,电机会受到频繁启停、爬坡、加速和减速等不同工作条件的影响。这就意味着,低速时的大转矩是实现正常启动和加速的必要条件。

电动汽车电机还需要在高速时具有大功率,并在恒定功率区域具有较宽的速度范围,如3所示。恒定转矩区域在低速时非常重要,可提供良好的启动并克服斜坡路线。恒功率区域决定了电动汽车在平坦道路上的最高速度。达到基本速度后,电机达到其额定功率极限,电机转矩与速度的平方成比例地减小。不同型号的电机,这个范围是不同的,这也是选择合适电动汽车电机的关键参数。

图3:电动汽车电机的典型速度转矩特性。

电机类型

电动汽车电机一般包括直流电机、异步电机或感应电机(IM)、永磁同步电机(PMSM)、开关磁阻电机(SRM)和电励磁同步电机(EESM)。它们都具有径向磁通。磁通垂直于旋转轴。最近,轴向磁通电机引起了人们的兴趣,因为它可以提供更大的功率,同时质量密度较低。

直流电机

直流电机坚固耐用,易于驱动。直流电机又分为有刷和无刷两种。有刷直流电机技术成熟,成本低、低速转矩大、速度控制简单,这些都是牵引电机的重要特性。然而,有刷直流电机由于尺寸大、效率低以及由于电刷和集电器磨损而需要维护,因此并未广泛应用于电动汽车。有刷直流电机在汽车上的许多用途中都是最佳选择:挡风玻璃刮水器、座椅和后视镜调节器、电动转向、电子油门控制、废气再循环、车窗升降和电动泵等等。电动汽车无刷直流电机使用电子换向器/逆变器系统代替电刷,效率更高。定子线圈由电子控制器按特定顺序通电,从而产生与转子上永磁体相互作用的旋转磁场。

异步感应电机

感应电机因其结构简单、即使在恶劣条件下也具有高可靠性、坚固耐用、易于维护且成本低廉而在电动汽车中非常常见。如果逆变器发生故障,感应电机可以自然去励磁,这是电动汽车的一项重要安全功能。顾名思义,转子与定子旋转磁场异步旋转,该磁场由三个等距线圈产生,电流相位相差120°。转子主要是鼠笼式的,长条贯穿其中,两端短接。根据法拉第定律,定子旋转磁场会在转子上感应出电压和电流。然后,感应电流与转子磁场相互作用,使其产生转矩。与PMSM电机相比,感应电机的缺点是效率略低,感应电流会使转子上产生的热损耗较高,功率因数相对较低。这种电机通常设计为具有多个极对,以便在给定的机械速度下提高频率,从而减小电机的尺寸和重量。

图4:感应电机结构。(来源:Valeo Service)

永磁同步电机

PMSM的转子中装有永磁体。它们结构简单,效率高于感应电机,功率密度高。在永磁交流电机中,转子包含一对到多对永磁磁极。馈入定子的电流与转子上的永磁体相互作用,产生转矩。这种电机的缺点是成本高,永磁体在高速时会产生涡流损耗,而且由于磁体可能断裂,因此存在可靠性风险。PMSM电机有两种变体:表贴永磁(SPM)同步驱动电机和内置永磁(IPM)同步驱动电机。IPM电机主要用于电动汽车,性能优于SPM,但缺点是设计复杂。

内置永磁电机通过两种机制产生转矩:永磁磁通与供电电流之间的相互作用,以及供电电流与铁材料之间的相互作用,进而产生磁阻转矩。当将铁磁物体置于外部磁场中,使其磁化并与外部磁场对齐时,就会发生这种情况。两个磁场之间产生的转矩,会使物体围绕磁场线扭转。

5所示为博格华纳生产的220型PMSM,转速为18,000rpm,可输出250至450Nm的转矩。功率范围为135至300kW,工作电压为300至800V。

图5:博格华纳的220型PMSM,具有8个极和48个槽,每个槽有8层绕组。(来源:博格华纳)

开关磁阻电机

SRM利用转子和定子的磁阻3来产生转矩并控制速度。转子由凸极(向外延伸的磁极)组成,而定子则包含集中绕组。转子和定子由气隙隔开,当电机不旋转时,转子磁极与定子磁极对齐。转子和定子的极数决定了电机的转矩和速度特性。

SRM的主要优点之一是转矩密度高,即小尺寸下也能输出大转矩,这在空间有限的情况下(例如电动汽车)是一个重要特点。SRM的另一个优点是能够精确控制转子位置和速度。由于没有磁体,避免了机械力的问题,因此电机能够以更高的速度运行。由于各相没有连接,即使其中一相断开,SRM电机也能继续运行。这种电机类型的缺点是振动和噪音增加。此外,凸极转子和定子结构会产生较大的转矩纹波。

电励磁同步电机

PMSM在所有电机中效率最高,但稀土材料是个问题。因此,宝马集团和雷诺集团等一些制造商采用了混合电机设计,即不含稀土材料的同步电机。事实上,这些电机并不使用转子中的永磁体来产生电流,而是使用电刷和滑环。EESM定子通过交流电产生旋转磁场。同时向转子提供直流电,以产生与定子旋转磁场同步的磁场。转子和定子磁场之间的同步相互作用产生转矩,推动汽车前进。另外,人们还可以改变转子的磁场强度,以优化峰值功率输出。据宝马公司称,这种电机的效率高达93%,与PMSM非常接近。尽管具有这些优点,但这种电机使用的电刷必须经过精心设计,才能获得足够长的使用寿命。目前已提出了一种基于无线输电系统的EESM励磁系统替代方案。

轴向磁通电机

与径向磁通电机不同,在轴向磁通电机中,转子和定子产生的磁场平行于旋转轴。这种配置可以更有效地利用磁通,减少功率损耗,从而提高电机的整体效率。从数量上看,在轴向磁通电机中,转矩和直径之间的关系与直径的三次方成正比。相比之下,在径向磁通电机中,转矩与直径的二次方成正比,与长度成线性关系。因此,在相同转矩下,轴向磁通电机的整体尺寸会减小,从而实现高功率密度。其缺点之一是,由于转子和定子需要精确对齐,其制造成本相对较高。此外,由于该技术仍在不断发展,其应用还不广泛。图6显示的是梅赛德斯-奔驰公司旗下YASA公司生产的P400 R轴向磁通电机。

图6:YASA P400 R电机。(来源:YASA Motors)

参考文献

1Hayes, J. G., & Goodarzi, G. A. (2018). “Electric Powertrain: Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles.” Wiley.

2Torque is the extension of the linear force concept to rotating bodies and can be expressed as the product of the perpendicular component of force and the distance of the applied force from the rotation axis.

3Magnetic reluctance (R) is used in magnetic circuits and plays the same role as electrical resistance in electrical circuits. It is a measure of how much it opposes the magnetic flux (ϕ).

(原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Advances in Electric Motor Design Boost EV Performance,由Franklin Zhao编译。)

本文为《电子工程专辑》2024年7月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里

责编:Franklin
本文为EET电子工程专辑原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
阅读全文,请先
您可能感兴趣
BLDC的应用持续增长,主要市场驱动力来自于以下几个方面:工业类电机应用节能指令提出了新要求;印度对于吊扇应用,致力于实现50%的节能目标;越来越多设备的终端客户,希望有更好的使用体验。
从DSP芯片的发展历程不难发现,从早期理论到前几代DSP产品应用,均由国外巨头完成。中国的DSP芯片产业起步较晚,但同时中国也是全球DSP芯片最大的应用市场,在贸易摩擦和地缘政治影响下,国内一批DSP芯片企业凭借技术创新和坚持不懈的努力,正逐步打破国外厂商垄断……
商务部、海关总署、中央军委装备发展部发布公告,对有关物项实施出口管制的公告,对航空航天结构件及发动机制造相关装备等物项实施出口管制。
至今,航空通用电子技术已经有超过一个世纪的发展历史,可以说它是eVTOL行业发展的基石,不仅关系到飞行器的性能和安全,也是推动eVTOL技术创新和商业化的关键因素。但毕竟就像油车和电车的区别,eVTOL采用的电驱动力,和传统燃油动力的飞行器有着本质区别,究竟这百年的经验,eVTOL能用到多少?又有哪些部分需要自己去摸索创新?
即使效率略有提高,也能节省大量能源。
本文是“精通电机控制”系列文章的第一部分,介绍了电机控制的基础知识,为后续文章奠定了基础。敬请关注本系列的下一部分。
为了不断追求更好的视觉效果,显示技术行业在增强对比度、亮度和能效方面都面临着挑战。其中一个重要障碍是实现有效的"局部调光",即屏幕特定区域可独立变暗或变亮的技术。
AONZ66412 XSPairFET™ 占地面积紧凑,可简化 PCB板内设计,有助于提高功率密度,同时满足高效Type C应用性能需求。
国内领先的存算一体AI芯片创新企业后摩智能完成数亿元人民币的战略融资,由中国移动旗下北京中移数字新经济产业基金、上海中移数字转型产业基金共同对公司进行投资。
7月10日,备受瞩目的慕尼黑电子展在上海圆满落幕。作为全球电力电子行业的专业展览,慕尼黑电子展不仅展示了最新的产品与技术,更推动了行业的持续创新与发展。此次盛会汇集了1600多家企业参展,三天展览共吸引了超过15万的专业观众,英诺赛科以其创新的氮化镓产品和解决方案,成为展会焦点。
插播:合盛新材料、芯聚能、安海半导体、三安半导体、烁科晶体、天岳先进、恒普技术、华卓精科、快克芯装备、青禾晶元、东尼电子、科友半导体、长联半导体、致领半导体、奥亿达新材料、瑞霏光电、才道精密、中电化合
美国联邦通信委员会(FCC)近期发布报告称,由于资金不足,超过 40% 的农村运营商无法完成移除华为和中兴等中国电信设备的任务。早在 2021 年,FCC 就一致要求美国农村运营商拆除来自华为、中兴等
亚化咨询重磅推出《中国半导体材料、晶圆厂、封测项目及设备中标、进口数据全家桶》。本数据库月度更新,以EXCEL表格的形式每月发送到客户指定邮箱。中国大陆半导体大硅片项目表(月度更新)中国大陆再生晶圆项
☆ END ☆精彩回顾腔体滤波器技术提升解决方案一座5G基站它的成本是由哪些部分组成?腔体滤波器设计之----自动单腔频率温飘秒仿糖葫芦串形低通秒仿糖葫芦型低通后续之----低通优化[超级全]一百多页
7月14日晚间,沈阳富创精密设备股份有限公司(以下简称“富创精密”)发布公告。公告称,公司拟以现金方式收购公司实际控制人郑广文、公司第一大股东沈阳先进制造技术产业有限公司、北京亦芯企业管理咨询合伙企业
近日,旭显未来表示,其建成投产的湖南智慧工厂传来好消息,该工厂第一批Mini LED显示箱体于近期成功点亮。这也是旭显未来在全国的布局的第三个成功实现批量生产的新型显示产品智慧工厂。据悉,旭显未来湖南
近日市场传出消息称,高通在印度德里高等法院起诉传音控股集团侵犯其四项非标准必要专利。           对此,传音控股申明其尊重第三方知识产权,遵循公平、合理和非歧视原则(FRAND原则),已与高通
论坛信息会议名称:第七届半导体大硅片论坛会议时间:2024年9月26-27日会议地点:浙江丽水主办单位:亚化咨询日程安排9月25日16:00~20:00   会议注册9月26日09:00~12:00 
  高压放大器是一种用来将输入信号放大到较高电压水平的器件。它在各种领域中都有广泛的应用,包括科学研究、医疗设备、通信系统、工业控制和测试测量等。高压放大器通常需要满足多项指标要求
近期有爆料称,国产EDA大厂开始大规模裁员,裁员比例高达50%,甚至软件部门接近60%。对此,芯华章内部人士回应称,裁员50%的说法是谣言,表示公司正在进行战略收缩,但人员优化比例有限。信息显示,芯华