无刷直流电机在电动车辆中的应用.pdf

无刷直流电机在电动车辆中的应用 中国电子科技集团公司第二十一研究所 上海安乃达驱动技术有限公司 贡俊杨锟唐名钟 一、概述 1、电机驱动系统技术的进步促进了电动车辆的发展 电机驱动系统是电动车技术的关键，电机驱动系统技术的进步和新材料、计算 机技术和电力电子技术的发展密切相关。在有限能源的条件下，电机驱动系统的效 率直接影响电动车的主要整机指标，它的体积、重量和外观也直接影响整车的造型， 而且电机驱动系统的可靠性也直接影响电动车能否被广大消费者接受。 电机技术的进步主要表现在小型、轻量、高效率上。这对本来意义上就需具轻捷 灵便的电动车来说是个极大的推进。电机的小型轻量高效率和磁性材料的发展息息相 关。磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段，发展最早的是铝镍钴，这 种磁性材料磁能积低，合金中含钴，价格贵，但温度特性好，所以至今某些场合还是 用到它。后来开发出铁氧体磁性材料，这种磁性材料磁能积并不高，但价格低，因此 在很长一段时间内占了主导地位。再后来是钐钻合金的开发成功，这种磁性材料一下 子突破了传统磁能积数值，效能成倍提高，但是合金元素钐是稀土元素，价格昂贵， 合金元素也是比黄金贵几倍的材料，且是战略控制物资，因此大大局限了这种高性能 磁性材料的推广应用范围。一九八三年日本人发明了钕铁硼(NdFeB)，引起了磁性材 料的一场革命。钕铁硼磁性材料磁能积高，不含价格昂贵的合金元素，钐和钕同为稀 士元素，但钕价格便宜得多，因此使电机效率的提高和小型化出现了转机。 由于有了高磁能积的钕铁硼，从而不需要体积硕大的软磁和激励绕线包。电机 的体积重量因此可以大大减小，加工也变得简单。电机的电枢绕组也由于磁性材料 性能的提高而使绕组线圈大大减少。 材料技术进步的另一方面主要表现在有刷电机的电刷质量提高和长寿命。有刷 电机的使用寿命关键点是电刷的寿命，因为影响电刷磨损的一个重要因素是滑动接 触稳定性的好坏。随着电机运转时间的增长，电刷对整流子表面的磨损增大，电刷 形成和修正氧化膜的能力减弱或空气污染造成氧化膜破坏，或因其它原因都会造成 滑动接触变坏而影响使用。长寿命电刷的研制成功和实际应用使得有刷电机的实际 连续运行时间最长可达几千小时而无需维护。电机的使用寿命和原来相比，是大大 延长了，可见新材料电刷是推动有刷电机进步的又一个重要原因。 电机技术的进步还与电力电子器件、微电子和现代控制算法等技术进步发展有 关。无刷电机在设计思想上先进于有刷电机，它是电力电子器件和电机拓朴学进步 的体现。无刷电机使用霍尔元件，代替了电刷和整流子组成的机械换向装置，无电 刷磨损、无电刷电流损耗，具有非常高的功率密度。在电动自行车的应用中，可以 设计成直接驱动形式，从而省去了机械变速装置，因为省去了所有的机械接触部分， 因此噪声小，效率高，使用寿命长，甚至可以说无刷电机的使用寿命可以用轴承的 使用寿命来衡量，轴承寿命多长，无刷电机寿命就多长。在电动自行车的应用中， 据估计有刷电机的使用寿命假如在8万km，那么无刷电机的使用寿命就大于20万 km。和有刷电机相比，无刷电机的控制器相对复杂，控制部分它增加了电子换向， 另外由于一般设计成三相，功率驱动部分需要增加功率器件。但是微电子技术和电 力电子器件的飞速发展，微处理器、单片机和数字信号处理器都已逐步进人家用电 器领域，功率开关器件的飞速发展，使控制器的可靠性和经济性都大幅度提高。 2、电动车辆对电机驱动系统的基本要求 电动车作为绿色交通工具，要求电机高效率，高适应性；由于成本及空间的限 制，电机的高密度小型轻量化和低成本对整车来说至关重要。 高密度小型轻量化：采用良好的冷却方式、高电磁负荷、高性能磁钢、高转速 以及超短端部长度绕组技术等措施，使电机小型轻量化，从而实现高密度。与一般 工业用电动机相比，大小和重量都需要减少到一半以下；汽车驱动电动机输出1KW 只需0．6kg重量，这是一般电机不可想象的。 高效率：由于电动车辆是以电池为电源，一次充电的行车距离应尽可能长；汽 车驱动电动机的最高效率可达到97％，其它汽车辅助电机也希望有高的效率。因此， 随着稀土永磁材料价格的下降，其将替代汽车辅助电机用的铁氧体磁钢；目前，汽 车辅助电机绝大部分是永磁直流电机。 可靠性、耐久性、适应性：由于车辆的振动及发动机室的高温环境，使得车用 电机处于恶劣环境条件下运行，