引 言

採用混合電驅動系統方式的電動汽車, 能夠顯著改善整車的排放效能和燃油經濟性。這種方式既利用了汽車發動機持續工作時間長、能量補充快捷、動力效能好的特點, 又發揮了電驅動系統清潔、高效率的優點, 是當前解決節能、環保問題以及實現產業化和市場化的首選方案。在混合電驅動系統中主要包括兩種電機: 一是為車輛提供動力效能用的驅動電機, 另一種是用於內燃機起動和為輔助電氣裝置提供電源的起動發電機。用於混合電驅動系統的電機主要有感應電機、永磁同步電機和開關磁阻電機。感應電機的向量控制技術成熟, 但在小負荷範圍內效率低; 開關磁阻電機因其結構簡單可靠, 具有一定優勢, 但轉矩脈動和噪聲大; 而永磁同步電機以其高效率、高效能、噪聲和轉矩脈動小等優勢在電驅動技術中得到了廣泛的應用。目前, 在車載能源為有限能源供電的前提下, 開發研製具有功率密度高、執行速域寬、可靠性高的永磁同步電機及其驅動系統對於混合驅動技術具有重要的研究意義。

1 研究現狀

1.1驅動電機國內外研究狀況

根據電動機驅動車輪方式的不同可以分為集中電機驅動型式和輪轂電機驅動型式。集中電機驅動方式通過電機驅動傳動軸, 將動力傳遞至驅動輪, 從而驅動車輛; 輪轂電機驅動方式則不需要中間環節, 將動力直接傳遞至車輪, 因此結構緊湊, 車身內部空間利用率高。目前, 對電驅動用永磁同步電機研究較多的國家主要是日本、美國和歐洲一些發達國家。近年來中國在這方面的研究也逐步增多, 但與國外相比仍有一定差距。

1)集中驅動電機

( 1)日本

日本的混合電驅動技術以豐田公司最為著名。其混合電動車 prius已經商用化, 並且行銷歐美和亞洲國家。豐田公司 1996年在電動車 RAV4中就採用了東京電機公司的插入式永磁同步電機作為驅動電機。其下屬的日本富士電子研究所研製的永磁同步電機可以達到最大功率 50kW, 最高轉速13 000 r/min, 電機的整體效率大於 87% , 重量40 kg。

圖 1為日本豐田公司的 prius電動車用電機。該電機 2004版較 2003年設計在轉子結構和永磁體形狀上均進行了優化, 使得磁阻轉矩有了很大提高, 佔總轉矩的 40% , 極大提高了電機的功率密度和轉速範圍。

( 2)歐美國家

在法國 VEDELIC電動車計劃中, 選擇的新型驅動電機即為 3相永磁同步電機。電機的最大功率為 30 kW, 最大轉矩為 145 N# m, 重量為 60 kg,驅動系統效率高於 87% 。德國第三代奧迪混合電動車驅動電機採用了永磁同步電機, 最高轉速為 12 500 r/min, 最大輸出功率為 32 kW。

美國在電驅動用永磁同步電機的研究方面較日本為晚, 但研究同樣較為深入。SatCon技術公司 JamesH1Goldie等人採用定子雙套繞組技術, 既擴大了電機的轉速範圍, 又有效利用了逆變器的電壓, 繞組電流低, 電機效率高。這種電機在不同轉速和功率下的效率特性如表 1所示。

2)輪轂電機

由於輪轂驅動系統動力傳動鏈短, 而且可以通過能源管理和控制策略優化動力分配, 提高驅動系統效率, 降低能源消耗, 改善車輛的動力效能。與集中電機驅動相比, 輪轂電機驅動系統在電驅動系統中更具有優勢。

輪轂電機按驅動方式可以分為減速驅動和直接驅動兩大類。在減速驅動方式下, 電機一般在高速下執行, 減速機構放置在電機和車輪之間,起減速和增加轉矩的作用。

減速驅動的優點是:電機執行在高轉速下, 具有較高的比功率和效率;體積小、重量輕, 爬坡效能好, 在低速執行時可獲得較大的平穩轉矩。不足之處是: 齒輪磨損較快、壽命短、不易散熱、噪聲大。減速驅動方式適用於過載能力較大的場合。

在直接驅動方式下, 電機多采用外轉子形式。其優點主要有: 不需要減速機構, 整個驅動輪結構更加簡單、緊湊, 軸向尺寸減小, 效率進一步提高。缺點是在高轉矩條件下的大電流易損壞電池和永磁體; 電機效率峰值區域較小, 負載電流超過一定值後效率急劇下降。該方式適用於負載較輕的場合。

( 1)歐美

採用直接驅動形式的外轉子永磁同步電動機以德國的磁電機 (MM)公司設計的軍用戰鬥車輛驅動電機最為出名。這類電機通常採用外轉子結構,內定子採用集中繞組, 內定子鐵心和電樞繞組採用油冷方式; 採用較大的氣隙, 軸向長度較短,整機結構緊湊。與傳統電機相比, 這種電機的轉矩高 4~ 10倍, 並且具有高效率, 維護方便, 控制特性好等優點。

美國近年推出一款新型混合電傳動車, 稱為先進地面機動車 (AHED), 用於替換 / 悍馬 0車。該車仍採用德國磁電機公司 (MM)開發的輪式永磁電動機驅動, 為第四代水冷式電動機, 與行星齒輪裝 置相 連。發電 機也 採用 MM 公司 開發 的130 kW的永磁水冷發電機, 如圖 2所示。

英國 Q ineti Q公司製造的 6 @6型輪式混合電驅動演示車中採用內轉子形式永磁驅動電機。電機外徑 320mm, 長 190 mm, 重 45 kg。電機最大轉矩 355 N# min, 基 速 2 690 r/min, 最 大 功 率100 kW, 最高轉速 9 000 r/min。採用可變速比減速器設計。該公司還參與英國未來快速奏效系統( FRES)的研製。圖 3為其設計的輪式驅動電機及其制動系統。

( 2)日本

日本早期的電驅動系統中採用的並不是內轉子式驅動電機, 而是外轉子式驅動電機。如: 1991年日本研製的 4座電動汽車 IZA, 就是以 4個額定功率為 618 kW、峰值功率為 25 kW 的外轉子式永磁同步輪式電機驅動的, 在額定點驅動系統的效率超過 90%。

日本在隨後開發出的各種功率的輪轂驅動電機中大多采用高速電機匹配減速器的減速驅動系統, 如 ECO、KAZ、 ELLICA 車型中採用的電機。但日本仍繼續對採用外轉子永磁同步電動機的直接驅動系統進行了相關研究, 除早期的 IZA車型外, 近年日本研製的 4WD Bus也採用外轉子結構,定子繞組為集中繞組, 最大功率和最大轉矩分別為 75 kW 和 2 046 N#m。驅動電機內定子和轉子如圖 4所示。

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1.2 起動 /發電機研究現狀

混合電驅動的另一關鍵技術是起動 /發電機技術 SG( Starter Generator)。SG混合系統的最主要的特點是能夠使發動機停止怠速。它允許發動機經常熄火, 必要時再重新起動, 以有效節省怠速與減速時的油耗。在不帶怠速關機系統的條件下,SG可省油 2% ~ 3%, 帶有怠速關機系統時可省油7% ~ 10%。

在 SG電機型別的開發選用上, 世界各大汽車公司和製造商有不同的策略。豐田 Prius、本田 In2sight及奧迪 DUO(A4)均採用交流永磁同步電機,而西門子公司致力於感應電機系統的開發。

瑞典等國也對永磁同步電機進行了研究, 瑞典皇家技術學院研製了用於 4象限執行新型混合電動車用永磁同步電機。該類電機採用複合結構設計,電機可以根據需要工作在電動機狀態和發電機狀態。

2 設計技術發展

作為車輛電驅動系統的中心環節, 驅動電機的總體效能是設計研製技術的關鍵之一。根據車輛執行的特殊環境以及電驅動車輛自身的特點,對驅動電機的技術要求主要是:

( 1)體積小、重量輕; 有較高的功率和轉矩密度;

( 2)要求在寬速域範圍內, 電動機和驅動控制器都有較高的效率;

( 3)有良好的控制性能以及過載能力, 以提高車輛的起動和加速效能。

2.1 提高電機轉矩特性

1)提高輸出轉矩

日本電機工程研究實驗室與其它公司合作推出採用雙層永磁體的內建式永磁同步電機, 提高了電機的交軸電導, 使電機轉矩增加 10% , 最大效率區增加 10% , 最大峰值效率可達 97% 以上,主要執行區域效率可大於 93%。Priusp00直線型永磁體改成 SUVp05的 V 型轉子結構後, 通過保持 d軸弱磁所需的最小磁導, 儘量增大 q軸磁導, 使之具有更大的 L q - L d , 增大了凸極率, 獲得了更高的磁阻轉矩, 提高了轉矩密度。後者的合成轉矩比前者高 9%, 並且磁阻轉矩佔合成轉矩的比例為 63%。SUV- 2005內建式永磁電動機 /發電機裝置如圖 5所示。

2)降低轉矩脈動

在抑制轉矩脈動方面, 通常通過對電機結構進行優化設計來實現。例如: 採用不均勻氣隙,在轉子上分佈圓形孔洞,優化定子齒形 ,優化磁極形狀等等。圖 6為一種新型永磁體形狀設計。磁橋寬度保持不變, 隨著角度 H變小, 轉矩脈動和齒槽轉矩減小 。

2.2 提高比功率

為提高電機的比功率, 日本的一些電動汽車中常採用高速電機配以減速器的方式進行驅動。

豐田在其第二代 Prius車中應用內建徑向式永磁電機, 通過增加磁阻轉矩並進行相關優化, 減小機械損耗和逆變器損耗, 提高了輸出功率並保持高效率。

日本大阪電機工程研究實驗室採用集中繞組和定子分段技術提高了永磁同步電機的功率密度。圖 7分別為採用這種技術的電機定子鐵心、繞組以及定子部件圖。

德國採用定子插入齒技術, 增加銅線的密度也在一定 程度上 提高了 永磁同 步電機 的功率密度。

2.3 提高弱磁擴速能力

由於永磁同步電機轉子是永磁體勵磁, 導致電機高速時弱磁困難, 調速特性不如直流電機和感應電機, 因此, 弱磁擴速問題成為永磁同步電機的研究熱點之一。為提高永磁同步電機的弱磁能力, 實現寬速域執行, 國內外學者提出許多設計方案, 其中較具有代表性的有:

(1) 分段串聯式永磁體結構 ( SIPM) BojanStumberger對採用這種結構的24槽、 4極內建徑向式永磁電動機進行了分析研究, 表明其調速範圍可以達到 5 B1 。同時這種結構還可以明顯降低電機的齒槽轉矩。

( 2) 複合轉子結構 複合式轉子由永磁段和軸向層疊磁阻段組成, 兩者同軸置於同一定子鐵心內。可以對這兩部分進行獨立設計, 磁阻段用於控制電機直、交軸電抗引數, 以獲得需要的凸極比。這種結構可以增大電機的直軸電抗, 擴大電機的轉速範圍。但這種結構會使轉矩密度降低,高速時鐵磁損耗很大。

( 3) 交替極結構永磁電機 這種電機的定子由疊片鐵心、鐵軛以及 3相繞組組成; 沿圓周的直流繞組被放置在定子鐵心的中間。轉子極分為兩部分: 一部分放徑向磁化的永磁體, 一部分為鐵極結構。該結構容易實現弱磁控制, 但直流繞組的引入減小了功率密度, 對空間體積的要求也增加了。交替極電機如圖 8所示。

( 4) 雙套定子繞組結構 低速時採用低速繞組提高電機的轉矩, 降低電流從而提高電機的效率,高速時採用高速繞組降低電機的反電勢, 擴大電機的高速執行範圍。美國 SatCon技術公司採用了這項技術; 中國瀋陽工業大學和香港大學也對這項技術進行了研究; 香港大學通過實驗證明採用雙套繞組後永磁同步電機的最高轉速可由 2 000 r/min擴大到 4 500 r/m in以上 。

( 5) 轉子可軸向移動的永磁電機 通過轉子的軸向移動, 減小了每極磁通, 使其實現弱磁 。但這種結構增加了機械設計的複雜性, 如圖 9所示。

( 6)採用定子深槽結構 通過採用深槽結構增加直軸漏抗, 從而增加電機的弱磁能力。日本KenjiEndo等人採用這種方法設計出的樣機最高速度可達 13 000 r/min。但這種方法高速鐵 耗比較大。

3 結 論

在混合電驅動技術中, 永磁同步電機驅動系統因其具有的明顯優勢, 已成為電驅動技術發展中的一個重要研究方向。永磁同步電機無論作為起動 /發電機還是主驅動電機, 均以其高功率密度、高效率和高效能等優勢得到了廣泛應用。國內外學者對應用於混合電驅動系統的永磁同步電機進行了深入的研究; 採用不同的設計方法和製造抗的分析具有重要意義。本文介紹一種在工作電壓下測試超聲波電機阻抗特性的方法。用該測試系統, 可以很方便地測量在不同激勵電壓下的電機輸入阻抗, 通過一些外部夾具, 還可以測量不同預壓力、不同負載以及不同執行狀態下電機阻抗特性。針對超聲波電機的非線性, 結合這套測試系統, 可以進一步進行超聲波電機的模型分析。