電動汽車電動機
實現電能轉換、傳遞的產品
電動汽車電機
汽車行駛的特點是頻繁地啟動、加速、減速、停車等。在低速或爬坡時需要高轉矩,在高速行駛時需要低轉矩。電動機的轉速範圍應能滿足汽車從零到最大行駛速度的要求,即要求電動機具有高的比功率和功率密度。電動汽車電動機應滿足的主要要求可歸納為如下10個方面:
(1)高電壓。在允許的範圍內,儘可能採用高電壓,可以減小電動機的尺寸和導線等裝備的尺寸,特別是可以降低逆變器的成本。工作電壓由THS的274V提高到THSB的500V;在尺寸不變的條件下,最高功率由33kW提高到50kW,最大轉矩由350N"m提高到400ON"m。可見,應用高電壓系統對汽車動力性能的提高極為有利。
(2)轉速高。電動汽車所採用的感應電動機的轉速可以達到8000一12000r/min,高轉速電動機的體積較小,質量較輕,有利於降低裝車的裝備質量。
(3)質量輕,體積小。電動機可通過採用鋁合金外殼等途徑降低電動機的質量,各種控制裝置和冷卻系統的材料等也應儘可能選用輕質材料。電動汽車驅動電動機要求有高的比功率(電動機單位質量的輸出功率)和在較寬的轉速和轉矩範圍內都有較高的效率,以實現降低車重,延長續駛里程;而工業驅動電動機通常對比功率、效率及成本進行綜合考慮,在額定工作點附近對效率進行優化。
(4)電動機應具有較大的啟動轉矩和較大範圍的調速性能,以滿足啟動、加速、行駛、減速、制動等所需的功率與轉矩。電動機應具有自動調速功能,以減輕駕駛員的操縱強度,提高駕駛的舒適性,並且能夠達到與內燃機汽車加速踏板同樣的控制響應。
(5)電動汽車驅動電動機需要有4一5倍的過載,以滿足短時加速行駛與最大爬坡度的要求,而工業驅動電動機只要求有2倍的過載就可以了。
(6)電動汽車驅動電動機應具有高的可控性、穩態精度、動態性能,以滿足多部電動機協調運行,而工業驅動電動機只要求滿足某一種特定的性能。
(7)電動機應具有高效率、低損耗,並在車輛減速時,可進行制動能量回收。
(8)電氣系統安全性和控制系統的安全性應達到有關的標準和規定。電動汽車的各種動力電池組和電動機的工作電壓可以達到300V以上,因此必須裝備高壓保護設備以保證安全。
(9)能夠在惡劣條件下可靠工作。電動機應具有高的可靠性、耐溫和耐潮性,並在運行時雜訊低,能夠在較惡劣的環境下長期工作。
(10)結構簡單。適合大批量生產,使用維修方便。價格便宜等。
1949年全國總裝機184.83萬千瓦,全國僅有為數不多的電機修理廠;1958年上海電機廠造出世界上第一台雙水內冷發電機(汪耕院士,汪槱生院士);1999年中科院電工所(顧國彪院士1958年開始研究)東方電機廠(饒芳權院士)合作用蒸發冷卻改裝成功李家峽400MW水輪發電機的4號發電機;2003年已達3.9億千瓦,為1949年的211倍,形成了以上海,哈爾濱及四川東方三大發電設備製造集團為骨幹的製造企業群。但人均裝機容量不到0.3千瓦,我國年人均用電量僅相當於世界水平的1/3.
我國中小型電機有一定生產規模的企業有300多家,生產的電機產品有300多個系列.近l500個品種。1997年我國中小型電機產量約為25288MW,1998年約為42505MW,1999年約為42O00MW。電動機出口量約l為7O00MW。可以看出1998年較1997年電機產量有較大的提高,到I999年電機產量略有下降,企業負債持續攀升.效益不斷下滑,行業整體形勢有所下降。但隨著改革開放的深人,國家宏現政策的調整以及市場需求的推動,我國電機產品由勞動密集型、資源密集型向高附加值和高技術含量的產品轉移,出口產品結構也逐步趨向於市場化和台理化。
我國300多個中、小型電機企業大多集中在沿海地區西部地區的企業寥寥無幾,在國家開發西部的大好機遇里對電機行業的發展提供了一個發展的機會。另外我國加入WTO后可將國內一部分富裕的電機生產能力轉移到國外擊,也是發展的一條出路。在國際市場上,電機是機電產品的重要組成部分之一,每年的貿易額約35億美元中、小型電機行業單機出口產品主要為交流電動機、交流發電機及直流電動機。
電動汽車電機
我國目前已具備了生產高效電機的技術條件,但由於市場條件不夠成熟,產量和市場容量都較小。1999年高效電機國內市場佔有率僅2%,2000年為4.7%;2001年也只有6.5%,其中70%以上為出口。
1、什麼叫電機?
答:電機是將電池電能轉換成機械能,驅動電動車車輪旋轉的部件。
2、什麼是定子?
答:有刷或無刷電機工作時不轉動的部分。輪轂式有刷或無刷無齒電機的電機軸叫定子,此種電機可以叫內定子電機。
3、什麼是轉子?
答:有刷或無刷電機工作時轉動的部分。輪轂式有刷或無刷無齒電機的外殼叫轉子,此種電機可以叫外轉子電機。
4、什麼叫碳刷?
5、什麼是刷握?
答:在有刷電機裡面盛裝並保持碳刷位置的機械導槽。
6、什麼是換相器?
7、什麼是相序?
答:無刷電機線圈的排列順序。
8、什麼是磁鋼?
9、什麼是有刷電機?
答:電機工作時,線圈和換向器旋轉,磁鋼和碳刷不轉,線圈電流方向的交替變化是*隨電機轉動的換相器和電刷來完成的。在電動車行業有刷電機分高速有刷電機和低速有刷電機。有刷電機和無刷電機有很多區別,從名字上可以看出有刷電機有碳刷,無刷電機沒有碳刷。
10、什麼是無刷電機?
答:由控制器提供不同電流方向的直流電來達到電機裡面線圈電流方向的交替變化,無刷電機的轉子和定子之間沒有電刷和換相器。
11、電機如何實現換相?
答:無刷或有刷電機在轉動時,電機裡面線圈的通電方向需要交替變換,從而達到電機能連續轉動。有刷電機的換相*換相器和電刷共同完成,無刷電機*控制器來完成。
12、什麼是缺相?
13、電機常見的種類有哪幾種?
答:常見的電機有:有刷有齒輪轂電機、有刷無齒輪轂電機、無刷無齒輪轂電機、無刷有齒輪轂電機、側掛電機等。
14、從電機的種類上怎麼區分是高低速電機?
答:A有刷有齒輪轂電機、無刷有齒輪轂電機屬於高速電機;
B有刷無齒輪轂電機、無刷無齒輪轂電機屬於低速電機。
15、電機的效率是怎麼定義的?
答:電機的效率是指電機所輸出的機械能與電源所提供的電能之比。用字母“り”表示。
16、無刷電機是如何分類的?
17、什麼是無位置感測器無刷電機?
答:對於無位置感測器無刷電機必須要先經將車用腳蹬起來,使電機具有一定的旋轉速度以後,控制器才能識別到無刷電機的相位,之後控制器才能對電機供電。因其不能實現零速啟動,所以用的很少。但其因為沒有感測器,所有少了一個故障點,而且其成本更低。
18、無刷電機霍耳的耗電量大致範圍是多少?
答:無刷電機霍耳的耗電量大致範圍是6mA-20mA不等。
19、無刷電機霍耳的電壓範圍是多少?
答:無刷電機霍耳的電壓範圍一般是在3-24V。
20、一般電機在多高的溫度下能夠正常工作?電機最多能夠承受多高的溫度?
答:如果測量電機蓋的溫度超過環境溫度25度以上時,表明電機的溫升已經超出了正常範圍,一般電機的溫升應該在20度以下。一般電機線圈是由漆包線繞制而成,而漆包線在溫度高於150度左右時其漆膜會因為溫度過高而脫落,造成線圈短路。當線圈溫度在150度以上時電機外殼所表現出的溫度在100度左右,所以如果以其外殼溫度為依據則電機所承受的最高溫度為100度左右。
21、電機的溫升應在20℃以下,即電機端蓋的溫度超過環境溫度應小於20℃,但電機發熱超過20℃的原因是什麼?
答:電機發熱的直接原因是由於電流大引起的。一般可能是線圈短路或開路、磁鋼退磁中電機效率低等造成,正常情況則是電機長時間大電流運轉。
22、怎樣測量無刷電機的相角?
答:接通控制器電源,由控制器給霍耳元件供電,就可以檢測到無刷電機的相角了。方法如下:用萬用表的+20V直流電壓檔,並將紅表筆接+5V線,黑表筆分別測量三個引線的高低電壓(這裡的紅黑表筆的用法上有一個技巧),按60°及120°電機的換相表對照即可。
23、如果60°的無刷控制器用在120°無刷電機上會有什麼狀況?反之又如何?
24、有刷高速電機和有刷低速電機有什麼直觀上的區別?
B.高速電機的車轉動時噪音較大,低速電機轉動噪音較小。有經驗的人很容易憑耳朵識別。
25、電機的起動電流是怎樣定義的?
答:一般要求電機的起動電流不能超過其額定電流的2~5倍,這也是為什麼在對控制器上做限流保護的一個重要原因。
26、市場上銷售的電機轉速為什麼越來越高及有何影響?
B.額定速度工作時,其效率不變,但在低速區時效率明顯低了,也就是啟動無力。
C.效率低,需要用大電流啟動,騎行電流也大,對控制器的限流要求大,對電池也不好。
27、出現電機異常發熱怎麼維修?
答:維修處理的方法一般為更換電機,或進行維護保養。
28、電機的空載電流大於參考表極限數據時表明電機出現了故障,產生的原因有哪些?怎麼維修?
答:電機內部機械摩擦大;線圈局部短路;磁鋼退磁;直流電機換相器積碳。維修處理的方法一般為更換電機,或更換碳刷,清理積碳。
29.各種電機的無故障最大極限空載電流是多少?
電機形式額定電壓24V時額定電壓36V時
側掛電機2.2A1.8A
高速有刷電機1.7A1.0A
低速有刷電機1.0A0.6A
高速無刷電機1.7A0.6A
低速無刷電機1.0A0.6A
30、人力騎行時感覺速度慢、滯重感強
(1)前剎車或抱閘(漲閘)與轉動部位磨擦→調整前後剎車與轉動部件間隙,既要使轉動靈活,又要保證剎車制動性能良好。
(2)鏈條過緊→調整後輪軸前後位置
(3)前後軸檔及中軸部件並帽過緊或部件磨損→鬆動緊固件,或更換磨損的部件。
(4)前後輪胎充氣不足→輪胎充氣至足。
31、電池充足但負載情況下兩隻紅燈就熄
(1)充電器輸出電壓偏低→按充電器維修方法排除故障。
(2)電池充電時間短→重新充電延長充電時間。
(3)電池組或其中單隻容量下降→按電池箱維修方法排除故障。
(4)電極損壞或接觸不良→更換電極。
32、在行駛中有停駛、時快時慢、無力等感覺
(1)七芯連接接觸不良→換七芯線。
(2)霍爾斷電剎把接觸不良→換霍爾斷電剎把。
33、電池充足,顯示燈全亮,但負載輪轂轉動無力
(1)齒輪磨損打滑→更換齒輪。
(2)輪轂電機繞組部分短路→更換電機。
(3)自行車裝配問題或部件磨損→更換減振橡皮。
34、電力驅動有不規則的停轉
(1)控制器與電動輪轂接插件鬆脫或導電不良→重新插緊接插件或更換插件。
(2)輪轂電機炭刷與轉子接觸不良→按輪轂維修方法排除故障。
35、電力驅動噪音響
(1)輪轂齒輪缺油→打開輪轂,塗上齒輪油脂。
(2)齒輪缺損→更換齒輪。
(3)齒輪外殼軸承損壞→更換軸承。
拆卸電機之前應首先拔開電機與控制器的引線,此時一定要記錄下電機引線顏色與控制器引線顏色的一一對應關係。
打開電機端蓋之前應清潔作場地,以防止雜物被吸在電機內的磁鋼上。做好端蓋與輪轂相對位置的標記。注意:一定要對角鬆動螺釘,以免電機外殼變形。
電動汽車電機的維護及保養要點:
1、電機的接線:電動機的四根引出線纜標記如下:A1—電樞繞組首端,A2—電樞繞組的末端,D1(D3)—串勵繞組首端,D2(D4)—串勵繞組末端。D2與A1相連接,在D1和A2之間加上電壓,電機即可轉動。若要返轉D1、D2或A1、A2任何一組對調即可實現。
2、電動機換向器端開有4個檢查窗,供觀察和維護換向器及更換電刷用。
4、必要時,應清刷換向片之間小溝及換向器表面上碳精粉末。
5、電機不允許高速空轉啟動。
6、定期打開百頁窗檢查換向部分及電刷是否正常。
(1)電動汽車儀錶顯示正常,電機不轉故障原因 ①閘把損壞判斷
②調速轉把損壞判斷
③電機損壞判斷
④控制器損壞
(2)故障排除
①拔下剎把插座(常開型剎把)。如電機運轉,則為剎把故障,應更換剎把。
②轉把源5V電壓正常,檢測轉把信號電壓,轉動轉把,信號電壓應在0.8~4.2V由低向高變化。如電壓無變化且小於1V,則為轉把故障或轉把線有短路。如電壓大於1V且變化正常,檢測電機霍爾信號(黃、綠、藍線)。如三相霍爾信號線電壓全部為5V且接觸良好,則電機霍爾損壞,應更換電機或電機霍爾元件。
③分別檢測電機霍爾信號線,用手慢慢轉動電機,每相電壓應在0~5V之間變化,如電壓無變化則為電機霍爾損壞,應更換電動汽車電機或電機霍爾元件。如每相電壓變換正常,且供電正常,則控制器損壞,更換控制器。
④用萬用表檢測控制器電源輸入端電壓,電壓應大於36V(電池充足電),如無電壓,應檢查輸入線。檢查控制器轉把電源電壓(接轉把的紅、黑線),正常電壓在5~6V,如無5V電壓,拔下轉把插座,電壓恢復5V,則可能為電機霍爾元件短路,如仍無5V電壓,則為控制器故障,應更換控制器。
⑤首先檢查調速轉把和電動汽車電機霍爾開頭有無短路,一般下雨受潮后更容易造成接頭短路,因此要注意轉把接頭防水,若控制器損壞后更換新控制器前首先應檢查轉把和電機霍爾開關是否短路?否則會造成更換控制器連續損壞!
⑥或電機不轉,重點檢查電機霍爾開關和轉把信號,若一通電,控制器外殼很燙,一般是控制器內部功率管短路,應立刻切斷電源。
電動汽車的發展史是螺旋上升的歷史。從1834年美國人達溫坡特(Davenport)在布蘭頓城街上演示他自己製造的小電池車開始,電動車逐漸發展達到興盛。19世紀末,汽車製造成功,由於汽車的性能遠高於電動車,使電動車受到排擠。20世紀60年代,汽車已成為城市主要污染源,70年代出現了石油危機,這使電動車重又得到重視。各國政府開始制定法規研製電動車。汽車工業已發展成為國民經濟的支柱產業,汽車已成為人們生活中不可缺少的一部分;但同時,汽車給城市造成了嚴重的污染,而且全球已探明石油資源僅能開發使用40多年。因此,研究高性能的電動車以替代汽車是歷史的必然。目前,世界電動車的發展已由試運行向推廣應用方向過渡:日本從1996年開始向國內用戶銷售商品車,美國從1997年開始向美國用戶銷售商品車。中國的電動車目前處於研製階段。為了促進國際廣泛的交流與合作,國家科委和機械工業部在1996年12月6~15日舉辦了1996北京國際電動汽車及代用燃料汽車技術交流、研討會暨展覽會。就電動車發展中的各種問題進行了探討。同時,國內外的汽車生產廠家及國內的一些大專院校、科研單位展出了自己研製的電動車。本次會議反映了電動車的一些最新研究成果,從中也可以看出電動車用電機的發展趨勢。
2制約電動車發展的關鍵
以電動車與傳統的燃油汽車進行比較,相當於以電池代替燃油,以電動機代替發動機。由於電池的能量密度(單位重量儲存的能量,wh/kg)遠遠低於燃油,傳統結構電動機的性能又不能直接適用於電動車,因此,電池和電動機既是電動車的核心,同時又是制約電動車發展的關鍵。
3電動車用電機的發展趨勢
雖然各種各樣的驅動用電動機早已研究得很成熟,但它們並不能直接適用於電動車,因為電動車有其特有的運行特點,所以所用的電動機必須滿足這些特點才能獲得高性能。
3.1電動車的特點
電動車最顯著的特點是頻繁的起停、加減速,而不是運行於某一恆速下。電動車主要用於在污染比較嚴重的大中城市市區固定路線行駛和某些特殊場合,如機場、車站、碼頭、倉庫、遂道和旅遊區域等地方。人們對電動車的1次充電行駛距離和最高時速有一定要求,但要求不是很高。一般1次充電行駛50~100km,最高時速在100km/h以內就可滿足要求。從長遠看,電動車要取代燃油汽車,它的性能必須可與燃油汽車相比,所以它的1次充電行駛距離和最高時速都要大大提高。另外,可靠性和價格也是人們比較關注的問題。
3.2電動車用電機應具備的特點
基於電動車的特點,對所用的電動機就應有一定的要求。為了提高最高時速,電動機應有較高的瞬時功率和功率密度(w/kg)。為了提高1次充電行駛距離,電動機應有較高的效率,而且電動車是變速工作的,所以電動機應有較高的高低速綜合效率。電動車起動和爬坡時速度較低,但要求力矩較大;正常運行時需要的力矩較小,而速度很高,故用於電動車的電機的典型機械特性曲線如附圖所示。即在低速時為恆轉矩特性,高速時為恆功率特性,且電動機的運行速度範圍應該較寬。另外,電動機應堅固、可靠,且價格較低。
3.3電動車用電機的發展趨勢
在電動車發展初期,多採用直流電動機。在試製大客車時用串勵電動機,在小客車及小貨車上用並勵、復勵電動機。隨著永磁材料的發展,永磁直流電動機也有所應用。直流電動機的優點是有比較好的控制特性。但它重量大,效率低,價格貴,而且由於電刷和滑環的存在,需要維護,電刷磨損又會造成不安全工作。因此,隨著電力電子器件的發展,交流電動機逐漸成熟,直流電動機逐漸被交流電動機所取代。這次會議參展的電動機也以使用交流電動機為主。
電動汽車電機
以永磁同步電動機和無刷直流電動機為代表的交流永磁電動機以其低重量、高效率這一特別的優勢而在電動車領域被廣泛應用。這類電動機的價格偏高,但隨著批量生產和永磁材料價格的進一步下降,它的價格會下降。這類電動機也有它的弱點,由於功
率電源電壓的限制,原邊繞組的匝數不能超過一定數值。因此,對於電動機,提高旋轉頻率和不增大電流而提供要求的輸出功率很困難。即在高轉速下如要提供足夠的輸出功率就必須增大電流,這就消耗了大量的電能,降低了效率;若不增大電流,則輸出功率下降,電動車不能正常運行。本次參展使用永磁同步電動機有代表性的是日本豐田公司的RAV4EV,使用無刷直流電動機有代表性的是清華大學等研製的電動輕型客車和中科院北京三環公司的電動轎車。它們的性能見附表。RAV4EV使用了高性能的鎳氫電池,其最高時速和續駛里程都較高,已達實用化階段。清華大學和三環公司的電動車使用鉛酸電池,指標也很高。
開關磁阻電機結構簡單、緊密、堅固、效率高,低速時可提供很大的轉矩,且驅動器結構簡單,它曾被專家預測為電動車領域的一匹黑馬。它的缺點主要是振動和雜訊較大。本次參展使用開關磁阻電機的典型電動車是義大利菲亞特公司的菲亞特500型電動車,其性能見附表。可以看出,在一定功率下,它所能提供的最大轉矩較大,即最大轉矩與功率之比較大。
可見,電動車使用的各種電動機各有優點,同時又都有其不利的一面,從而使它們並不能完全適合於電動車。因此,繼續開發適用於電動車的電動機仍是電機工作者的任務。哈爾濱工業大學研究的多態電機就是這樣一種嘗試。這是一種融混合式步進電動機和非同步電動機的結構於一體的電機,即在傳統的混合式步進電動機的轉子槽內配置一套籠型繞組,將定子鐵心分為兩段,兩段定子鐵心之間放置一個軸向電磁勵磁線圈,其餘結構與混合式步進電動機相同。低速時,給電機定子繞組按混合式步進電動機方式供電,則電機作為混合式步進電動機運行。高速時,給電機定子繞組按非同步電動機方式供電,同時軸向電磁勵磁線圈通電產生對磁鋼去磁的軸向磁場,使磁鋼對電機運行不產生或產生很小的影響,這時電機作為非同步電動機運行。這樣,這種多態電機同時具有混合式步進電動機低速時高轉矩和非同步電動機高速時高效率的優點,具有較高的高低速綜合性能和較寬的運行速度範圍。這次參展的EV96—1型電動轎車就是使用的這種多態電機,目前這種電機仍正在研製中。
3.4驅動方式的發展趨勢
傳統燃油汽車的驅動系統中包括發動機、減速器和差速器。這是由於內燃機的速度範圍窄,必須用減速器來擴大速度範圍。使用差速器是便於轉向。減速器和差速器為一系列傳動齒輪,它們在汽車運行中消耗一部分機械能,使車輪得到的功率不到發動機功率的2/3,大大降低了汽車的效率。由於電動機與發動機的不同特點,電動車可以採用四種驅動方式:與傳統燃油汽車相同;省略減速器;進一步省略差速器,電動機同軸驅動車輪,即軸驅;將電動機直接裝在車輪內,即輪驅。可以看出。輪式驅動既完全消除了傳動中的機械磨損,提高了傳動效率,又具有最小的體積、最輕的重量,同時故障率降低。因此,輪式驅動是電動車最佳的驅動方式。國內外對輪式驅動有過一定的研究,如在第26屆東京Motor展覽會上,東京電力公司推出的IZA型電動車就採用了四輪直接驅動方式,其最高時速為176km/h,1次充電行駛距離為548km(以40km/h恆速),用的是鎳鎘電池,它是當時性能最佳的電動車,這無疑與輪式驅動方式有關。本次參展採用輪式驅動的只有兩家,即中科院北京三環公司和哈爾濱工業大學的電動車。因為輪式驅動控制方式較為複雜,故需要在控制上多做工作。
電動汽車電機
a.作為電動車用電機,直流電動機已逐步被淘汰。
b.非同步電動機、交流永磁電動機和開關磁阻電動機都已被用來驅動電動車,它們各有自己的優勢,但也都有各自的弱點,並不完全適合於電動車。
c.進一步研究更適合於驅動電動車的電動機是電機工作者的任務。多態電機是一種有前途的電機。
d.輪式驅動是電動車最佳的驅動方式。