首先要聊的是大家最关心的汽车电机寿命。它的确是成熟科技,同时不用频繁定期保养,然而耐用度可能还是比不上内燃机引擎。德国某车主的的Model SP85为单马达设定,目前已经用到第四颗,也就是之前至少坏过三次,平均近40万公里需要更换。
相比于普通工业电机,新能源汽车驱动电机具有更为严格的技术规范和标准要求。首先,汽车空间有限,对驱动系统的尺寸有严格的限制;其次,电池容量有限,要求驱动系统具有较高的效率;第三,为满足乘车人员的舒适性要求,驱动系统应具有低噪音和低振动的特性。
目前市场上应用最广泛的新能源汽车电机主要有永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机三类。三类电机中,交流异步电机成本低、结构简单,主要用于以特斯拉为代表的欧美系品牌,但其存在调速范围小、转矩特性不理想的问题,需要性能更高的调速器以匹配性能;永磁同步电机效率高、转矩和功率密度大,尺寸小、重量轻,常用于丰田和本田等日系品牌,另外特斯拉 Model 3也搭载永磁同步电机产品,但由于其需要稀土材料制成的永磁体为原材料,一定程度上受到资源的限制,成本较高;开关磁阻电机结构简单可靠、系统成本低,但其具有转矩波动大及噪音大等缺点,目前应用还受到限制,商用车应用居多。
交流异步电机也称为感应电机(Induction Motor),在定子绕组中输入三相交流电,定子绕组中的励磁电流在定子铁芯中产生旋转磁场,此时转子绕组中有感应电流通过并推动转子作旋转运动。当转子带有机械负载时,转子电流增加,由于电磁感应作用,定子绕组中的励磁电流也增加。交流异步电机控制器采用脉宽调制(PWM)方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频器实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制实现转矩控制的快速响应,满足负载变化特性的要求。
交流异步电机的优点在于结构简单,定子转子无直接接触,运行可靠性强,转速高,维护成本低。不足之处在于能耗高,转子发热快,高速工况下需要额外冷却系统;功率因数低,需要大容量的变频器,造价较高,调速性较差。目前,交流异步电机主要用于空间要求较低、且速度性能要求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。
永磁电机(Permanent Magnetic Motor)包括永磁同步电机(正弦波)和永磁无刷直流电机(方波)两大类,其转子均由永磁材料制成,定子采用三相绕组,输入调制方波产生旋转磁场带动永磁转子转动。永磁同步电机的优点在于其较大的转矩和驱动效率,具有高功率密度和宽调速范围,且没有励磁损耗和散热问题,电机结构简单,体积比同功率的异步电机小15%以上;其缺点在于高速运行时控制复杂,永磁体退磁问题目前难以解决,电机造价较高。
目前,永磁同步电机主要应用于体积小,且速度、操控性能要求较高的电动乘用车领域,部分中小型客车亦开始尝试使用永磁电机作为驱动源。永磁无刷直流电机则一般在小功率电动汽车、低速电动车领域应用较为广泛。
开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor)的定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成,利用冲片上的齿槽构成双凸极结构,定子产生扭曲磁场,利用“磁阻最小原理”驱动转子运动。开关磁阻电机结构和控制简单、出力大,可靠性高,成本低,起动制动性能好,运行效率高,但电机噪声高,但转矩脉动严重,非线性严重,在电动汽车驱动中有利有弊,目前电动汽车应用较少。
直流电机(DC Motor)通过在定子主磁极上绕制励磁线圈并通以直流电以产生磁场,转子电枢绕组也通以直流电,通电绕组置于磁场中输出电磁转矩拖动负载运行。直流电机控制器一般采用晶闸管脉宽调制方式(PWM),控制性能好,调速平滑度高,控制简单,技术成熟,且成本较低。直流电机的缺点是需要独立的电刷和换向器,导致速度提升受限;电刷易损耗,维护成本较高。值得一提的是,直流电机多用于早期的电动汽车驱动系统,目前新研制的车型已经基本不再采用。
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