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車用驅(qū)動電機(jī)原理與控制基礎(chǔ)第1章緒論21.1電機(jī)的發(fā)展簡史法拉第(1)“電機(jī)技術(shù)積累階段”電機(jī)的技術(shù)起源可以追溯到1831年法拉第發(fā)明盤式電機(jī),直至1866年大功率直流發(fā)電機(jī)研制成功之前的一段時間,可以稱為“電機(jī)技術(shù)積累階段”。(2)“直流電機(jī)的工業(yè)化應(yīng)用”
1866年德國人西門子成功研制自激和并激式大功率直流發(fā)電機(jī),開啟了大功率機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換的序幕,進(jìn)而引發(fā)了19世紀(jì)晚期的“電氣化”革命。電機(jī)技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入第一個黃金發(fā)展期:“電機(jī)技術(shù)成熟期”。(3)“交流電動機(jī)的發(fā)明”進(jìn)入十九世紀(jì)上半葉,各種交流電機(jī)不斷發(fā)明和發(fā)展,開始了電機(jī)大量工業(yè)應(yīng)用的第一個黃金年代。(4)“電力電子應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速控制”功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步。圖1-11831年法拉第圓盤發(fā)電機(jī)實物模型與電路原理圖圖1-2斯特金電機(jī)原理圖圖1-3斯特金電機(jī)原理圖31.2車用驅(qū)動電機(jī)的特點(diǎn)和常用類型因為車用的特殊應(yīng)用需求,車用電機(jī)有其顯著的技術(shù)特征,突出體現(xiàn)在如下方面:1)重量比功率高:量化對于整車的能效提高有直接的貢獻(xiàn),因此與固定設(shè)備的工業(yè)電機(jī)不同,車用電機(jī)普遍要求盡可能高的單位質(zhì)量功率。2)體積比功率高:車用空間的優(yōu)化是永恒的主題。電機(jī)系統(tǒng)越緊湊,就越容易滿足整車的需要,實現(xiàn)更深度的“嵌入”設(shè)計,因此要求單位體積的電機(jī)功率要盡可能高。3)效率高:追求高效率是所有電機(jī)應(yīng)用的基本要求。車用電機(jī)的主要特點(diǎn)是,驅(qū)動電機(jī)的高效率區(qū)要寬,不只是在特定工作點(diǎn)上有較高的效率,而在較寬的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率,從而滿足車輛各種行駛工況下的效率優(yōu)化。4)調(diào)速范圍寬:除個別車型采用多個速比的變速箱外,電動汽車基本都只有一個固定速比的減速器;為了滿足車輛的高速行駛和低速爬坡需求,車用電機(jī)的調(diào)速范圍要非常寬。5)轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快:車用電機(jī)持續(xù)工作于變工況狀態(tài)下,高的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)既是駕駛員駕駛性主觀體驗的重要技術(shù)基礎(chǔ),也是與整車安全功能相關(guān)的核心關(guān)鍵指標(biāo)。6)短時峰值功率大:汽車勻速行駛所需的持續(xù)驅(qū)動功率顯著低于加速工況所需要的短時峰值功率,但加速工況的持續(xù)時間較短,因此車用電機(jī)設(shè)計上(短時)峰值功率與(持續(xù))額定功率相差可以達(dá)到一倍以上。7)長壽命、高可靠、環(huán)境適應(yīng)性好和低成本。41.2車用驅(qū)動電機(jī)的特點(diǎn)和常用類型(1)交流感應(yīng)電機(jī),也稱異步電機(jī),其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、堅固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動小、低噪聲、不需要位置傳感器、轉(zhuǎn)速極限高。局限性是,它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率,因而調(diào)速性能略差。而且相對永磁電機(jī)而言,異步電機(jī)效率和功率密度偏低。(2)永磁同步電機(jī),功率密度和效率是永磁同步電機(jī)的突出優(yōu)勢,此外,調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩控制性能好、結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高等特點(diǎn)也很突出,是目前車用電機(jī)的首選類型。針對一些特殊應(yīng)用場合,比如扁平結(jié)構(gòu)或軸向磁通結(jié)構(gòu)電機(jī),永磁電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢更加突出。根據(jù)轉(zhuǎn)子上永磁體的安裝位置不同可以分為面裝式(SPM)和內(nèi)置式(IPM)兩大類,其中后者因為轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的“磁阻轉(zhuǎn)矩”可以有效提高電機(jī)的效率,在車用電機(jī)設(shè)計上更受青睞。對于反電動勢為方波的永磁同步電機(jī),有時也被歸類為“直流無刷電機(jī)”(BrushlessDCMotor,簡稱為BLDC)。車用驅(qū)動電機(jī)永磁同步電機(jī)感應(yīng)電機(jī)面裝式內(nèi)置式圖1-4常見車用驅(qū)動電機(jī)分類51.3車用驅(qū)動電機(jī)的典型應(yīng)用ISG電機(jī)與P2電機(jī)ISG電機(jī)又稱作P1電機(jī),其具體的安裝位置以及結(jié)構(gòu)形式如圖1-5所示,電機(jī)與發(fā)動機(jī)直接連接,電機(jī)轉(zhuǎn)子取代了傳統(tǒng)的飛輪。此結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)改動少,而且具有元件少、噪音低、起動迅速等優(yōu)點(diǎn),是目前最為簡單、成熟的一種混合驅(qū)動方式。P2電機(jī)的安裝位置位于變速箱的輸入端,如圖1-6所示。與ISG構(gòu)型的本質(zhì)區(qū)別在于發(fā)動機(jī)和電機(jī)之間增加了一個離合器(通常稱為K0離合器)。所以P2電機(jī)驅(qū)動構(gòu)型可以實現(xiàn)純電驅(qū)動、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動和混合動力驅(qū)動三種工作模式。與ISG構(gòu)型的混合動力系統(tǒng)類似,不需要改變原來傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機(jī)和變速器基本結(jié)構(gòu)。圖1-5ISG電機(jī)構(gòu)型布置和結(jié)構(gòu)形式圖1-6P2構(gòu)型安裝位置和結(jié)構(gòu)形式61.3車用驅(qū)動電機(jī)的典型應(yīng)用電機(jī)與變速箱的集成將內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能在變速箱中通過不同方式耦合,即電機(jī)與變速箱集成是目前混合動力車輛的重要技術(shù)路線,這種將電機(jī)與變速箱集成后的變速箱又稱作混合動力專用變速器DHT,其工作原理是通過集成一個或者多個電動機(jī)到變速器中形成帶電動機(jī)的自動變速器系統(tǒng),疊加發(fā)動機(jī)輸入功率后即可實現(xiàn)混合動力驅(qū)動的功能。豐田公司的混合動力系統(tǒng)THS是比較典型的DHT變速器??梢钥闯鲈撓到y(tǒng)采用了發(fā)動機(jī)與雙電機(jī)(MG1、MG2)3個動力源,并通過行星齒輪耦合構(gòu)成電控?zé)o極變速器,根據(jù)車輛的不同工況實現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的雙自由度調(diào)節(jié)。當(dāng)電動機(jī)MG2純電行駛時,發(fā)動機(jī)通過電動機(jī)MG1給電池充電;發(fā)動機(jī)也可以與電動機(jī)MG2(或者M(jìn)G1)同時驅(qū)動汽車。THS屬于功率分流混合動力,通過電動機(jī)或發(fā)動機(jī)控制其轉(zhuǎn)矩比例,從而實現(xiàn)傳動比的無級調(diào)節(jié),所以THS又被稱為電動無級變速器。圖1-7第三代THS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖71.3車用驅(qū)動電機(jī)的典型應(yīng)用三合一純電驅(qū)動總成將電機(jī)、控制器和減速器集成起來的三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)由于其高集成度,是車用電驅(qū)動系統(tǒng)的重要發(fā)展方向,該種集成形式的電驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢在于:1)集成式設(shè)計可以使驅(qū)動系統(tǒng)體積減小。驅(qū)動系統(tǒng)各部件被整合為一體,這無疑使整個系統(tǒng)更緊湊,使得車輛動力系統(tǒng)的布局可以更加靈活;2)集成式設(shè)計可以使驅(qū)動系統(tǒng)重量減小。隨著主要零部件的高度集成,各部件間的連接線材大幅減少,系統(tǒng)重量也得到了優(yōu)化,使車輛能耗更低;3)集成化設(shè)計有效減小了各部件間的距離,優(yōu)化了能量傳輸路徑,有利于減低損耗,使動力總成效率更高。圖1-8“三合一”電驅(qū)動總成81.3車用驅(qū)動電機(jī)的典型應(yīng)用輪轂電機(jī)圖1-9輪邊和輪轂電機(jī)驅(qū)動類型目前輪轂電機(jī)驅(qū)動方式主要有兩種:第一種是所謂“輪邊電機(jī)”,其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-9左圖所示,其工作原理是轉(zhuǎn)子作為輸出軸與固定減速比的行星齒輪減速器的太陽輪相連,車輪輪轂與其齒圈連接,通過較大的減速比來放大輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,所以該
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