詳解電動(dòng)汽車電機(jī)與西瑪工業(yè)電機(jī)有什么區(qū)別？

時(shí)間：2019-08-15 19:03

      這個(gè)答案由 三相對(duì)稱電流通過向dq坐標(biāo)軸上投影得到的Id、Iq與通過park變換得到的Id、Iq有什么區(qū)別和聯(lián)系么？ - w浩森的回答 這個(gè)問題延伸而來，其中的電動(dòng)汽車電機(jī)部分我想在這個(gè)問題下單獨(dú)詳細(xì)作答。因?yàn)檫@兩個(gè)話題的受眾不同。之前那個(gè)問題主要針對(duì)于初學(xué)電機(jī)的學(xué)生，這個(gè)問題可能更多的針對(duì)于工業(yè)從業(yè)者，電機(jī)設(shè)計(jì)師等等。
      首先，先推薦一篇電動(dòng)汽車方面的經(jīng)典文獻(xiàn)：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document結(jié)合這篇文章，我詳細(xì)寫一下電動(dòng)汽車電機(jī)和普通工業(yè)電機(jī)的異同。

相同點(diǎn)：
      1. 都是電機(jī)看似廢話哈，我想說的是，電動(dòng)汽車電機(jī)也是電機(jī)的一種罷了，沒有什么特別的。分析方法逃不過普通的電磁分析方法，計(jì)算工具也都是有限元軟件，仿真求解器都是基于Transient Solver，電磁方程逃不過麥克斯韋方程組。沒什么大不了的，就是一種負(fù)載要求特殊的電機(jī)。
      2. 分類和控制都一樣電動(dòng)汽車也分感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)兩大類，控制理論和方法和工業(yè)電機(jī)沒有任何區(qū)別。

不同點(diǎn)：
      1. 嚴(yán)格的體積要求和重量要求因?yàn)槭擒囕d，所以這方面要求突出。普通工業(yè)電機(jī)對(duì)于體積尺寸和重量沒有這么嚴(yán)格的要求，因?yàn)楣I(yè)場(chǎng)地巨大，一般以滿足工業(yè)目標(biāo)為第一目的。電動(dòng)汽車不同，尺寸和重量決定了汽車的動(dòng)力性能和駕駛體驗(yàn)，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，電動(dòng)汽車電機(jī)的難點(diǎn)就在于提高功率重量密度和功率體積密度。越小，越輕，功率越大的電機(jī)，越好。
      2. 獨(dú)特的轉(zhuǎn)矩特性啟動(dòng)或低速時(shí)要求超高轉(zhuǎn)矩，將汽車速度以最快的方式泵升至期望速度。一般工業(yè)電機(jī)并沒有這么高的啟動(dòng)速度要求。同時(shí)，高速時(shí)需要提供足夠的功率，使得汽車可以高速巡航。
      3. 寬調(diào)速范圍最高速度可能是電機(jī)基速的4倍甚至更高。目前電動(dòng)汽車最好的方案莫過于省去多檔變速箱，只使用固定檔的齒輪組。如此，則要求電機(jī)的調(diào)速范圍越寬越好。以特斯拉的Model S 基本款為例，電機(jī)最高RPM能達(dá)到18000轉(zhuǎn)/分鐘，相當(dāng)可怕。這對(duì)于電力電子調(diào)速器來說是一個(gè)非常大的考驗(yàn)。
      4. 全范圍效率要求電動(dòng)汽車不像電力機(jī)車由受電弓供電，電動(dòng)汽車由電池供電，巡航范圍完全取決于電機(jī)效率。電機(jī)效率每提高1%，巡航里程就可相應(yīng)增加1%。所以對(duì)于電機(jī)的效率要求很高。能高一點(diǎn)，就是勝利，每一點(diǎn)能量都要優(yōu)化。
      5. 其他至于噪音小，穩(wěn)定性高，散熱合理，性價(jià)比等等我就不提了，這些是基本要求。

技術(shù)細(xì)節(jié):
      1. 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速 效率分布圖：

電動(dòng)汽車電機(jī)的效率分布圖最好能如下圖：

      （圖片來源：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document）電動(dòng)汽車主要運(yùn)行在黃色區(qū)域，不會(huì)經(jīng)常啟動(dòng)，也不會(huì)超高速持續(xù)運(yùn)行，更多的是在中間部分加速減速。所以對(duì)于效率范圍來說，最好能在黃色區(qū)域有較高的效率。相應(yīng)的，我們希望黃色的區(qū)域能夠朝著三個(gè)方向延伸，從而滿足最大能量利用率。

2. 調(diào)速曲線：

      （圖片來源：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document）和普通電機(jī)基本類似，不同的是更為寬廣的恒功率區(qū)域；極速可達(dá)到基速的4倍。

3. 電機(jī)漏磁通越小越好！這一點(diǎn)和工業(yè)電機(jī)大不相同。這一點(diǎn)主要是針對(duì)感應(yīng)電機(jī)的。拿一般的和電網(wǎng)直連的工業(yè)感應(yīng)電機(jī)為例，轉(zhuǎn)子側(cè)的開槽簡(jiǎn)直可以被稱之為“花式開槽”。有深槽，有雙槽，有斜槽。這些設(shè)計(jì)有些是為了改善啟動(dòng)特性，有的是為了折衷低速和高速的性能，有的是為了降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。可是這些花式開槽都增加了漏磁通。電動(dòng)汽車電機(jī)是由逆變器精確控制的，所以所有的啟動(dòng)特性統(tǒng)統(tǒng)和傳統(tǒng)電機(jī)不一樣。由于控制器可以控制啟動(dòng)時(shí)的頻率和幅值，所以不會(huì)有直連電網(wǎng)電機(jī)的那些缺點(diǎn)。這時(shí)候就要求漏磁通缺少越好，槽越淺越寬越好！同時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾託庀秾挾?，降低高頻諧波分量的阻抗。如果條件允許，盡量使用銅鼠籠，不要使用鋁鼠籠（電阻大）。這些特點(diǎn)在特斯拉汽車的感應(yīng)電機(jī)上表現(xiàn)的淋漓盡致：

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4. 永磁電機(jī)永磁電機(jī)主要應(yīng)用于混合電動(dòng)汽車?；靹?dòng)汽車上100%的電機(jī)都是永磁電機(jī)。完美的市場(chǎng)份額。為什么？因?yàn)轶w積小，質(zhì)量輕，功率密度高。永磁分為BLAC（無刷交流）和BLDC（無刷直流）兩種。兩種電機(jī)構(gòu)造基本相同，唯一區(qū)別在于控制的電流波形。BLAC是正弦波，BLDC是矩形波。相對(duì)來說，BLAC的性能略微好于BLDC，但是優(yōu)勢(shì)不太明顯。永磁電機(jī)以豐田汽車的Prius電機(jī)最為著名：

      整機(jī)的設(shè)計(jì)基本上已經(jīng)到達(dá)了現(xiàn)階段電機(jī)設(shè)計(jì)的極限，堪稱工藝品。其微調(diào)過后的永磁斜槽：

      以及堪稱教科書式的效率分布圖：

      都是值得深入學(xué)習(xí)的典范。

      
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