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防爆電機

起重電機之電動汽車用電機技術比較綜述

發(fā)布時間：2022-08-01 23:15:00 點擊：

起重電機專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達電機2022年8月1日訊 本文主要討論了感應電機、磁阻電機和永磁電機在電動汽車中的相關應用，綜述得出最有前景的電動汽車用牽引電機類型。近年來，全球變暖等環(huán)境問題引起了廣泛關注，推動了電動汽車和牽引電機的發(fā)展。本文首先簡要介紹電動汽車發(fā)展歷史和電氣傳動系統(tǒng)；然后，詳細說明了電機的技術分類。最后，根據(jù)三種電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，分別分析了它們的優(yōu)缺點。為了確定最適合電動汽車的電機，考慮了轉(zhuǎn)矩密度、功率密度、效率、成本和轉(zhuǎn)矩脈動等特性，并根據(jù)這些特性對感應電機、感應電機和永磁電機進行了比較。結(jié)果表明，感應電機是電動汽車中應用最廣泛的電機，而內(nèi)嵌式永磁電機是目前最有前途的電機。然而，電機技術仍然面臨許多挑戰(zhàn)，例如解決高頻效應和開發(fā)新的拓撲結(jié)構(gòu)。

如今，傳統(tǒng)汽油車已經(jīng)造成了嚴重的環(huán)境問題和能源問題。盡管汽油發(fā)動機具有良好的供電、長途行駛和較高的功率密度等優(yōu)點，但汽油發(fā)動機中的不完全燃燒是二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和溫室氣體的主要來源。因此，需要研究和制造替代燃料汽車的電動汽車/混合動力汽車，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。然而，用電動汽車和混合動力汽車取代汽油車是一個巨大的挑戰(zhàn)，其中一個關鍵技術是電機的設計。

與傳統(tǒng)汽油車相比，電動汽車有著更悠久的歷史。1827年，第一臺由定子、轉(zhuǎn)子和換向器組成的電動機由匈牙利牧師ányos Jedlik發(fā)明。一年后，這種電機能夠驅(qū)動一輛小汽車[1]。1845年，英國物理學家惠斯通發(fā)明了直線電機，該電機在當今工業(yè)中得到廣泛應用。40年后，尼古拉·特斯拉發(fā)明了感應電機。20世紀初，美國開始大規(guī)模生產(chǎn)電動汽車。因此，當時的電動汽車的普及程度是汽油車的三倍。同時代，同步電機和磁阻電機相繼被發(fā)明。然而，這種統(tǒng)治在1930年結(jié)束。由于缺乏電網(wǎng)和充電電池，大多數(shù)家庭負擔不起使用電動汽車的經(jīng)濟成本[2]。同時，大型工廠的裝配線使汽油車的制造效率更高、成本更低。汽油的廣泛發(fā)現(xiàn)也大大降低了駕駛汽油車的經(jīng)濟成本。此外，與汽油車相比，電動汽車的顯著缺點是充電設施較少、輸電可靠性差和行駛距離短[3]。由于這些缺點，電動汽車的發(fā)展在20世紀30年代至80年代停止。盡管電動汽車在那個時期并不流行，但電動機的創(chuàng)新并沒有停止。繼20世紀50年代引入的永磁同步電機（PMSM）之后，1962年借助霍爾元件又發(fā)明了無刷直流電機（BLDC）。

在討論電機之前，有必要介紹如何控制電機。電驅(qū)動系統(tǒng)被定義為一個系統(tǒng)，用于檢測電機的參數(shù)，如速度、扭矩和方向，然后為電機提供更好的控制。每種類型的汽車的電氣驅(qū)動系統(tǒng)都不同，但仍有一些與所有電氣驅(qū)動系統(tǒng)相關的共同特征[4]。能夠控制速度的先進電氣驅(qū)動系統(tǒng)由多個部件組成，如圖1所示。

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圖1. 電氣驅(qū)動框圖[5]

電動汽車中，電源通常為電池，為整個電氣驅(qū)動系統(tǒng)提供能量。在接收到電源后，功率轉(zhuǎn)換器可以修改其接收信號，使電機能夠工作。例如，功率轉(zhuǎn)換器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而使感應電機能夠運行。功率轉(zhuǎn)換器的另一個關鍵功能是，它可以用于控制電源的功率，以控制電機的行為。借助于此，電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，以便負載（在電動汽車中即為車輪）可以完成給定的任務。在負載工作期間，傳感器用于檢測特定的驅(qū)動因素，如電機中的速度、扭矩和電流。這些信息將傳輸?shù)娇刂破?，該控制器使用這些反饋控制功率轉(zhuǎn)換器[6]。因此，電驅(qū)動系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)。

1. 電動機的分類

電機的分類有多種方法。如果考慮換向特性，電機可以分為自換向電機和外換向電機。表1顯示了分類。

表1. 電機技術的第一種分類[7]

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更具體地說，一種自換向電機是機械換向電機，它使用碳刷或滑環(huán)進行換向。這類電機的典型代表是使用交流電源的通用電機和使用直流電源的電勵磁直流電機。另一種自換向電機是電子換向電機，它使用電子元件進行換向。磁阻電機（RM）屬于這一類。另一方面，外部換向電機可細分為感應電機（IM）和同步電機（SM）。鼠籠式感應電機（SCIM）和繞線轉(zhuǎn)子感應電機（WRIM）是兩種典型的感應電機。而永磁同步電機（PMSM）是一種典型的同步電機。

此外，還有另一種分類，取決于三個因素：電流供應的類型、磁場產(chǎn)生的方式和氣隙中的磁場狀態(tài)。因此，如表2所示，電機可分為六類：有刷直流電機（BDCM）、感應電機（IM）、同步電機（SM）、開關磁阻電機（SRM）、同步磁阻電機（SynRM）和永磁電機（PMM）。

表2.電機技術第二種分類[8]

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圖2.電動汽車牽引電機的分類

如圖2所示，表貼永磁電機（SPM）和內(nèi)嵌永磁電機（IPM）是兩種主要的永磁電機。在某些分類中，SRM和SynRM也被視為一種磁阻電機（RM）。

一般來說，上述所有類型的電機都可以應用于電動汽車牽引。然而，不同的電機工藝有不同的優(yōu)缺點，因此設計師和市場青睞某些工藝。在這些電機中，感應電機、永磁電機和磁阻電機是目前最流行的三種電機。

2. 感應電機

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圖3.感應電機的結(jié)構(gòu)[8]

感應電機（IM）的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于這種結(jié)構(gòu)，感應電機具有低制造成本和魯棒性好的優(yōu)勢。因為沒有永磁體、電刷、位置傳感器和換向器環(huán)，感應電機的結(jié)構(gòu)相對簡單。因此，其制造成本顯著降低。此外，鼠籠式繞組的存在使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅固；因此，整個電機的可靠性增加。

感應電機的基本工作原理包括兩個步驟：

首先，由于定子繞組中交流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與鼠籠繞組之間的相互作用，在鼠籠繞組中產(chǎn)生感應電流。

然后，感應電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用以產(chǎn)生扭矩。因此，一旦鼠籠繞組的角速度落后于旋轉(zhuǎn)場的角速度，就會立即產(chǎn)生扭矩，使鼠籠繞組與旋轉(zhuǎn)場對齊。這意味著轉(zhuǎn)子（鼠籠式繞組）的角速度取決于旋轉(zhuǎn)場的角速度，旋轉(zhuǎn)場的角速度可以通過改變交流電源的頻率輕松調(diào)整。因此，可以方便地調(diào)節(jié)機器速度。

此外，盡管鼠籠式繞組與旋轉(zhuǎn)場完全對齊時沒有扭矩，但不會持續(xù)很長時間。因此，感應電機有一個小的轉(zhuǎn)矩脈動。

然而，感應電機存在過熱和銅損耗問題。在給定的交流電源頻率下，電壓越高，磁通量越大。如果電壓高于額定值，則會發(fā)生過流。過流將導致過熱，從而導致電機故障[9]。銅損耗是由于感應電流通過鼠籠繞組中耗散的功率引起的。此外，恒定功率范圍窄是感應電機應用于電動汽車的另一個問題。電動汽車的牽引通常需要3-4倍的基本速度擴展，而感應電機只能實現(xiàn)2-3倍的速度擴展。

3. 磁阻電機

在沒有繞組和磁鐵的情況下，磁阻電機中的轉(zhuǎn)子由軟磁性材料組成，通常為疊層硅鋼，定子由多個凸極電磁極組成。轉(zhuǎn)子的設計使其在不同方向上具有不同的磁阻。因此，當定子中存在磁極時，轉(zhuǎn)子將承受扭矩并旋轉(zhuǎn)，直到達到轉(zhuǎn)子和定子之間磁阻最小的位置。磁阻電機有兩種類型，開關磁阻電機和同步磁阻電機。

A. 開關磁阻電機 (SRM)

開關磁阻電機由凸極轉(zhuǎn)子和帶繞線電樞線圈的定子組成，如圖4所示。

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圖4.開關磁阻電機的結(jié)構(gòu)[10]

當電流通過定子繞組時，繞組將表現(xiàn)為磁極。為了最小化整個系統(tǒng)的磁阻，轉(zhuǎn)子與定子磁極具有對齊的趨勢，只有磁阻轉(zhuǎn)矩會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生。為了防止轉(zhuǎn)子和定子的所有磁極相互對齊，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)小于定子磁極數(shù)，以便在向定子繞組供電時轉(zhuǎn)子可以保持旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)確保了開關磁阻電機的故障安全性，這意味著一個定子或轉(zhuǎn)子磁極的斷裂或故障不會影響開關磁阻電機的運行。這種結(jié)構(gòu)也使開關磁阻電機具有較高的效率，因為轉(zhuǎn)子中沒有繞組，因此不會導致銅損耗。此外，開關磁阻電機還具有在高溫環(huán)境下安全運行和易于調(diào)整速度的特點。

然而，在電動汽車中應用開關磁阻電機時，轉(zhuǎn)矩脈動是其固有的缺點。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁阻變化，因此產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩將根據(jù)轉(zhuǎn)子位置脈動。圖5顯示了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的磁阻轉(zhuǎn)矩和電感變化。

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圖5.轉(zhuǎn)矩和電感變化[12]

B. 同步磁阻電機(SynRM)

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圖6.同步磁阻電機的結(jié)構(gòu)[8]

同步磁阻電機的結(jié)構(gòu)如圖6所示。盡管開關磁阻電機和同步磁阻電機具有相同的工作原理，但它們具有不同的轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)。在同步磁阻電機中，采用傳統(tǒng)的定子繞組，而不是凸極，轉(zhuǎn)子橫向或軸向疊層多層磁通屏障。因此，定子繞組產(chǎn)生的磁通可以由磁通屏障之間的轉(zhuǎn)子鐵引導，然后產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。與開關磁阻電機不同，同步磁阻電機具有相同數(shù)量的轉(zhuǎn)子和定子磁極，這意味著它同步運行。

同步磁阻電機和開關磁阻電機具有一些共同的優(yōu)點，例如成本低，易于調(diào)整速度。特別是在高速條件下，轉(zhuǎn)子上的磁阻轉(zhuǎn)矩不會顯著降低。同步磁阻電機的另一個優(yōu)點是轉(zhuǎn)子損耗低。轉(zhuǎn)子中沒有繞組，并且轉(zhuǎn)子同步運行，因此轉(zhuǎn)子中的電流較少。此外，轉(zhuǎn)子中沒有永磁體意味著在高溫環(huán)境下沒有反電動勢問題和退磁。另一方面，與提供給開關磁阻電機的電流相比，電源電流更像是正弦波，這有助于同步磁阻電機在一定程度上減少轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。此外，與感應電機相比，同步磁阻電機具有更高的功率密度。有證據(jù)表明，ABB有限公司生產(chǎn)的同步磁阻電機的功率密度比傳統(tǒng)感應電機高20%-40%[13]。

然而，即使轉(zhuǎn)矩脈動小于開關磁阻電機，轉(zhuǎn)矩脈動仍超過電動汽車牽引電機的轉(zhuǎn)矩要求（不超過5%）。這是因為轉(zhuǎn)矩仍然是由磁阻變化產(chǎn)生的，磁阻變化會導致轉(zhuǎn)矩脈動。同步磁阻電機的另一個缺點是功率因數(shù)低。低功率因數(shù)導致逆變器的VA額定值較高。在對同步磁阻電機和感應電機的性能進行比較分析后，T.a Lipo的團隊表明，同步磁阻電機可以比傳統(tǒng)感應電機具有更高的扭矩密度。然而，同步磁阻電機所需的VA額定值約為感應電機的1.4倍[14]。

4. 永磁電機

永磁電機（PMM）用轉(zhuǎn)子中的永磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)繞組來產(chǎn)生磁場。當永磁體的磁場與轉(zhuǎn)子電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用時，將產(chǎn)生扭矩。與磁阻電機類似，永磁電機可以受益于無繞組轉(zhuǎn)子的設計，減少機器中的轉(zhuǎn)子損耗可以提高效率，并且可以實現(xiàn)更緊湊的結(jié)構(gòu)以占用更少的體積。通過選擇具有更強磁場的磁鐵，也可以提高功率密度。作為永磁電機的類型，將進一步分析表貼永磁電機（SPM）和內(nèi)嵌永磁電機（IPM）。

A. 表貼永磁電機(SPM)

表貼永磁電機的示意圖如圖7所示。它由一個帶有傳統(tǒng)電樞繞組的定子和一個由幾塊永磁體覆蓋的轉(zhuǎn)子組成。通常，永磁體由碳纖維或不銹鋼等固定套筒固定。與磁阻電機不同的是，表貼永磁電機的轉(zhuǎn)子看起來像一個圓柱體，沒有明顯的突起。這種結(jié)構(gòu)不利于產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。因此，表貼永磁電機產(chǎn)生的大部分扭矩是電磁扭矩。

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圖7.表貼永磁電機的結(jié)構(gòu)[15]

表貼永磁電機具有可控性好、轉(zhuǎn)矩脈動小等優(yōu)點。由于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理不是基于磁阻，當轉(zhuǎn)子從對齊位置旋轉(zhuǎn)到未對齊位置時，轉(zhuǎn)矩不會顯著波動。此外，表貼永磁電機的扭矩密度大于感應電機和磁阻電機中的扭矩密度。由于轉(zhuǎn)矩僅取決于永磁體磁鏈和定子中的q軸電流，因此使用更強的永磁體可以輕松提高轉(zhuǎn)矩。此外，無繞組設計使表貼永磁電機比其他電機更緊湊。因此，表貼永磁電機具有更大的扭矩密度。

然而，表貼永磁電機有幾個缺點。弱磁能力低就是其中之一。由于永磁體的磁導率接近空氣的磁導率，因此覆蓋轉(zhuǎn)子的永磁體體積將被視為空氣體積。與其他電機相比，這導致表貼永磁電機中的氣隙更大，從而降低了定子繞組的電感。另一個缺點是成本高，高品質(zhì)永磁體價格昂貴。制造包含許多永磁體的表貼永磁電機成本很高。此外，表貼永磁電機不適合高速運行。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子繞組將經(jīng)歷由永磁體提供的變化磁場，因此定子繞組將感應到反電動勢，其方向與電源方向相反。在高速運行中，反電動勢將更大，從而減少定子中的有效電流。此外，在高速運行時，當巨大的離心力作用在永磁體上時，即使它們受到固定套筒的保護，也存在永磁體從轉(zhuǎn)子上分離的風險。最后一個缺點是表貼永磁電機的熱性能相對較差。在高溫環(huán)境下，磁鐵可以退磁，從而產(chǎn)生較小的扭矩。

B. 內(nèi)嵌永磁電機(IPM)

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圖8.內(nèi)嵌永磁電機的結(jié)構(gòu)[16]

比較內(nèi)嵌永磁電機和表貼永磁電機的結(jié)構(gòu)，最顯著的差異是永磁體的位置。如圖8所示，內(nèi)嵌永磁電機的永磁體插入幾個槽中，槽的形狀為V形，開口側(cè)朝外，壓印在轉(zhuǎn)子中。其工作原理類似于表貼永磁電機。電磁轉(zhuǎn)矩可以通過埋磁體的磁場與電樞繞組產(chǎn)生的磁場的相互作用產(chǎn)生。此外，由于永磁體的磁導率接近空氣，V形設計可以引導電樞繞組提供的磁通量。因此，也會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。

低成本是內(nèi)嵌永磁電機的特點之一，因為它比表貼永磁電機需要更少的永磁體。另一個優(yōu)點是內(nèi)嵌永磁電機具有很高的弱磁能力。由于所有磁鐵都插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因此氣隙較小，從而產(chǎn)生高電感和高弱磁能力。此外，永磁體的嵌入式設計防止磁體在巨大離心力下分離。考慮到這些優(yōu)點，內(nèi)嵌永磁電機是高速運行的理想選擇。

然而，內(nèi)嵌永磁電機的一個顯著缺點是鐵損，尤其是在高速運行時。這是因為凸極轉(zhuǎn)子的幾何形狀導致磁阻波動、鐵芯的局部飽和和強烈的電樞反應。這些因素導致大量MMF諧波，從而增加鐵損耗[18]。內(nèi)嵌永磁電機的另一個缺點是由于磁阻轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)矩脈動比表貼永磁電機高。然而，可以通過在磁島上鉆孔并改變永磁體的幾何形狀來減少這種影響[19]。

5. 電動汽車牽引電機之間的比較

電動汽車用牽引電機應具有高功率和轉(zhuǎn)矩密度、高效率、低成本、良好的調(diào)速性能和低轉(zhuǎn)矩脈動等特點。

關于轉(zhuǎn)矩和功率密度，由于永磁體可以提供強大的磁通量，永磁電機超過感應電機和磁阻電機。相比之下，感應電機和磁阻電機由轉(zhuǎn)子提供的磁通量較少，占用空間較大。

考慮到效率，內(nèi)嵌永磁電機排名第一。這是因為轉(zhuǎn)子中的永磁體提供了穩(wěn)定的磁場。此外，由于磁鐵較少，產(chǎn)生的渦流較低。在這些電機中中，感應電機的效率最低。當感應電流通過鼠籠式繞組時，有相當大的銅損耗。

在成本方面，感應電機具有元件少、無稀土材料、結(jié)構(gòu)簡單等特點，因此感應電機的成本最低。相反，表貼永磁電機成本最高，因為它需要在轉(zhuǎn)子上覆蓋大量永磁體。

在調(diào)速方面，感應電機、開關磁阻電機、同步電機和內(nèi)嵌永磁電機之間沒有明顯的差異。由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，磁阻電機的表現(xiàn)略優(yōu)于其他電機。相反，轉(zhuǎn)子和定子之間的巨大氣隙導致表貼永磁電機的調(diào)速能力最差。

在轉(zhuǎn)矩脈動方面，表貼永磁電機表現(xiàn)最好，因為定位轉(zhuǎn)矩在旋轉(zhuǎn)期間不會發(fā)生顯著變化，而開關磁阻電機由于旋轉(zhuǎn)期間磁阻的變化而具有最顯著的轉(zhuǎn)矩脈動。

根據(jù)上述分析，定量比較如表3所示，每個方面的最高分為20分，最低分為0分。顯然，感應電機由于其低成本、良好的調(diào)速性能和低轉(zhuǎn)矩脈動，更有可能在電動汽車牽引中得到廣泛應用。例如，NIO在ET5型電動汽車的前部應用了感應電機，特斯拉也曾使用感應電機為Model 3供電。然而，在保持相同優(yōu)勢的情況下，內(nèi)嵌永磁電機具有非凡的性能功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和效率。因此，內(nèi)嵌永磁電機可能是最有前途的電動汽車牽引電機。

表3. 電機之間的比較

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然而，電動汽車牽引系統(tǒng)仍面臨許多挑戰(zhàn)。最大限度地減少高頻效應是挑戰(zhàn)之一。這是由使用IGBT和MOSFET等元件設計的逆變器引起的，這些元件在高頻交流電壓電源下工作，產(chǎn)生電磁干擾[20]。這種影響會影響電機驅(qū)動系統(tǒng)，并導致局部放電，擊穿電動汽車牽引系統(tǒng)中的絕緣體。另一個困難是開發(fā)新的電機拓撲，例如軸向磁通電機，這將提高電機的功率上限。此外，軸向磁通電機是一種潛在的輪轂電機設計，由于沒有中間部件浪費機械能，因此可以進一步提高效率。

6. 結(jié)語

W經(jīng)過幾十年的沉寂，電動汽車正在蓬勃發(fā)展。為了使電動汽車具有優(yōu)異的性能，電機設計是關鍵。選擇感應電機、磁阻電機和永磁電機作為電動汽車的候選電機，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理對其進行了分析和比較。通過比較，感應電機由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，更有可能在電動汽車中得到廣泛應用，而內(nèi)嵌永磁電機由于具有良好的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和高效率，是最有前途的電動汽車牽引電機。在內(nèi)嵌永磁電機的幫助下，電動汽車可以擁有更大的功率和更好的速度調(diào)節(jié)，以占領更多的市場。然而，內(nèi)嵌永磁電機并不完美。應開發(fā)新的拓撲結(jié)構(gòu)，以進一步提高電動汽車的性能。此外，處理高頻效應是工程師面臨的另一個挑戰(zhàn)。

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[20] Powersim, Inc. (2022, June). Induction Motor and PMSM Models with High-Frequency Effect [Online]. Available: https://powersimtech.com/resources/tutorials/induction-motor-and-pmsm-models-with-high-frequency-effect.

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