新能源汽车与电力电子技术(第2版)
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3.2.2 直流电机的性能特点

电动汽车直流电机驱动系统中的直流电机通常采用串励电机和他励电机。电动汽车驱动电机在很多情况下使用的驱动特性如图3-5所示。

图3-4 直流电机的构造

1—轴 2—端盖 3—风扇 4—励磁绕组 5—机座 6—磁极7—电枢铁心 8—电枢绕组 9—电刷 10—换向器 11—轴承

图3-5 直流电机的驱动特性

基本转速Nb以下为恒转矩区,基本转速Nb以上为恒功率区。在恒转矩区,励磁电流保持不变,改变电枢电压来控制转矩。在高速恒功率区,电枢电压不变,改变励磁电流或弱磁来控制转矩。它的这种特性很适合汽车对动力源低速高转矩、高速低转矩的要求,而且直流电机结构简单,易于平滑调速,控制技术成熟,所以直到20世纪80年代中期,它仍是国内外的主要研发对象。几乎所有早期的电动车都采用直流电机驱动系统。

电动汽车专用的直流电机的结构和一般的直流电机的结构没有显著的差别,同一般工业用的电机相比,应具有以下所示的特点:

1)电枢轴要延长,以便安装用于速度检测的脉冲发生器和推力轴接头。

2)转子直径要设计得小些,轴长要设计得长些以适应高速旋转。

3)为了便于散热,电枢槽要设计得多些。

4)为了换向器片、电刷等的定期检查和维护,检查口应制造得大些。

5)由于振动,为了防止电刷的误动作,应提高电刷的预压紧力。

6)和其他电动汽车用电机相同,最大功率值和额定功率记录在铭牌上。

由此,电动汽车专用的直流电机和其他通用的电机相比,需要考虑的事项有耐高温性、抗振动性、低损耗性、抗负荷波动性等,此外还有小型轻量化、免维护性等技术上的难题。

(1)抗振动性 直流电机与其他电动汽车用电机相比,由于拥有较重的电枢,所以在路况凸凹不平时的车辆振动(3g~5g)会影响到其轴承所承受的机械应力,对于这个应力进行监控和采取相应的对策是很有必要的。同时由于振动,很容易影响到换向器和电刷的滑动接触,因此也采取了提高电刷弹簧的预压紧力等的措施。

(2)对环境的适应性 鉴于直流电机在电动汽车中使用时与在室外使用时的环境大体相同,所以要求在设计中就灰尘和水分入侵等问题给予考虑。而且也要充分考虑散热结构。

(3)低损耗性 为了延长一次充电续驶里程以及抑制电机温度的上升,尽量保持低损耗和高效率成为直流电机的重要特性。近几年,由于对稀土系列(钴、钕、硼等)的永久磁体的研究开发,PM直流电机中的高效率化已有很显著的提高。

(4)抗负荷波动性 在市区行驶和郊外行驶中,电机的负荷条件会有5倍左右的变动,因此有必要对额定条件的设定加以斟酌。在市区行驶中,由于交通信号以及其他状况,起动、加速工况很多,不可避免地要经常在最大承受功率情况下工作。此时,电刷的电火花和磨损非常剧烈,因此必须对换向极和补偿线圈的设计给予注意。在郊外行驶时,对于电机来说其输出转矩比较低,在高速旋转大输出功率的情况下,一般说来要以较高效率的额定条件运行。然而,在直流电机中,在其高速旋转的情况下,对换向器部分的机械应力和换向条件的要求会变得很严格。为了避免这种情况,在大型搬运用的电动汽车驱动系统中,大多设置变速器以达到提高起动转矩的目的。

(5)小型轻量化 由于要释放被限制的车载空间以及减轻车身总重量,因而小型轻量化成为了设计中的最大问题。而直流电机旋转部分中含有较大比例的铜,也即电枢绕组和铜制的换向器片,所以与其他类型的电机相比,直流电机的小型轻量化更难实现。然而可以通过采用高磁导率、低损耗的电磁钢板减少磁性负荷,虽然增加了成本,但可以实现轻量化。

(6)免维护性 关于电刷,虽然有连续长时间使用达一万小时的报告,但根据负荷情况和运动速度等使用条件的不同,更换时间和维修作业的次数是变化的。解决办法是,采用不损伤换向器片材质的电刷,以及将检查端口制造得大些,以便于检查、维修等。

除此之外,电动汽车用直流电机大多在较低的电压下驱动,同时又是大电流电路,因此需要注意连接线的接触电阻。

然而,直流电机的效率和转速相对较低,运行时需要电刷和机械换向装置,机械换向结构易产生电火花,不宜在多尘、潮湿、易燃易爆环境中使用,其换向器维护困难,很难向大容量、高速度发展。此外,电火花产生的电磁干扰,对高度电子化的电动汽车来说也是致命的。直流电机价格高、体积和重量大。随着控制理论和电力电子技术的发展,直流驱动系统与其他驱动系统相比,已大大处于劣势。因此,目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统已逐渐淘汰了直流驱动系统。