詳解電動汽車電機與西瑪工業電機有什么區別？

時間：2019-08-15 19:03

      這個答案由 三相對稱電流通過向dq坐標軸上投影得到的Id、Iq與通過park變換得到的Id、Iq有什么區別和聯系么？ - w浩森的回答 這個問題延伸而來，其中的電動汽車電機部分我想在這個問題下單獨詳細作答。因為這兩個話題的受眾不同。之前那個問題主要針對于初學電機的學生，這個問題可能更多的針對于工業從業者，電機設計師等等。
      首先，先推薦一篇電動汽車方面的經典文獻：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document結合這篇文章，我詳細寫一下電動汽車電機和普通工業電機的異同。

相同點：
      1. 都是電機看似廢話哈，我想說的是，電動汽車電機也是電機的一種罷了，沒有什么特別的。分析方法逃不過普通的電磁分析方法，計算工具也都是有限元軟件，仿真求解器都是基于Transient Solver，電磁方程逃不過麥克斯韋方程組。沒什么大不了的，就是一種負載要求特殊的電機。
      2. 分類和控制都一樣電動汽車也分感應電機和永磁電機兩大類，控制理論和方法和工業電機沒有任何區別。

不同點：
      1. 嚴格的體積要求和重量要求因為是車載，所以這方面要求突出。普通工業電機對于體積尺寸和重量沒有這么嚴格的要求，因為工業場地巨大，一般以滿足工業目標為第一目的。電動汽車不同，尺寸和重量決定了汽車的動力性能和駕駛體驗，直接影響產品的質量。所以，電動汽車電機的難點就在于提高功率重量密度和功率體積密度。越小，越輕，功率越大的電機，越好。
      2. 獨特的轉矩特性啟動或低速時要求超高轉矩，將汽車速度以最快的方式泵升至期望速度。一般工業電機并沒有這么高的啟動速度要求。同時，高速時需要提供足夠的功率，使得汽車可以高速巡航。
      3. 寬調速范圍最高速度可能是電機基速的4倍甚至更高。目前電動汽車最好的方案莫過于省去多檔變速箱，只使用固定檔的齒輪組。如此，則要求電機的調速范圍越寬越好。以特斯拉的Model S 基本款為例，電機最高RPM能達到18000轉/分鐘，相當可怕。這對于電力電子調速器來說是一個非常大的考驗。
      4. 全范圍效率要求電動汽車不像電力機車由受電弓供電，電動汽車由電池供電，巡航范圍完全取決于電機效率。電機效率每提高1%，巡航里程就可相應增加1%。所以對于電機的效率要求很高。能高一點，就是勝利，每一點能量都要優化。
      5. 其他至于噪音小，穩定性高，散熱合理，性價比等等我就不提了，這些是基本要求。

技術細節:
      1. 轉矩-轉速 效率分布圖：

電動汽車電機的效率分布圖最好能如下圖：

      （圖片來源：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document）電動汽車主要運行在黃色區域，不會經常啟動，也不會超高速持續運行，更多的是在中間部分加速減速。所以對于效率范圍來說，最好能在黃色區域有較高的效率。相應的，我們希望黃色的區域能夠朝著三個方向延伸，從而滿足最大能量利用率。

2. 調速曲線：

      （圖片來源：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document）和普通電機基本類似，不同的是更為寬廣的恒功率區域；極速可達到基速的4倍。

3. 電機漏磁通越小越好！這一點和工業電機大不相同。這一點主要是針對感應電機的。拿一般的和電網直連的工業感應電機為例，轉子側的開槽簡直可以被稱之為“花式開槽”。有深槽，有雙槽，有斜槽。這些設計有些是為了改善啟動特性，有的是為了折衷低速和高速的性能，有的是為了降低轉矩脈動。可是這些花式開槽都增加了漏磁通。電動汽車電機是由逆變器精確控制的，所以所有的啟動特性統統和傳統電機不一樣。由于控制器可以控制啟動時的頻率和幅值，所以不會有直連電網電機的那些缺點。這時候就要求漏磁通缺少越好，槽越淺越寬越好！同時，適當的增加氣隙寬度，降低高頻諧波分量的阻抗。如果條件允許，盡量使用銅鼠籠，不要使用鋁鼠籠（電阻大）。這些特點在特斯拉汽車的感應電機上表現的淋漓盡致：

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4. 永磁電機永磁電機主要應用于混合電動汽車。混動汽車上100%的電機都是永磁電機。完美的市場份額。為什么？因為體積小，質量輕，功率密度高。永磁分為BLAC（無刷交流）和BLDC（無刷直流）兩種。兩種電機構造基本相同，唯一區別在于控制的電流波形。BLAC是正弦波，BLDC是矩形波。相對來說，BLAC的性能略微好于BLDC，但是優勢不太明顯。永磁電機以豐田汽車的Prius電機最為著名：

      整機的設計基本上已經到達了現階段電機設計的極限，堪稱工藝品。其微調過后的永磁斜槽：

      以及堪稱教科書式的效率分布圖：

      都是值得深入學習的典范。

      
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