電動汽車電機

  1、基本介紹

　　電機

　　電機：泛指能使機械能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為機械能的一切機器。特指發(fā)電機、電能機、電動機。

　　電動機：俗稱馬達，是一種將電能轉(zhuǎn)化成機械能，并可再使用機械能產(chǎn)生動能，用來驅(qū)動其他裝置的電氣設(shè)備。

　　由于電動汽車采用動力電池作為車載能源，其容量受到限制，為盡可能的延長續(xù)駛里程，大多數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)都采用了能量回饋技術(shù)，即在汽車制動時，通過控制器將車輪損耗的動能反饋到電池中，并使電機處于發(fā)電狀態(tài)，將發(fā)出的電輸送到電池中。因此，電動汽車的驅(qū)動機應該稱為電機，而不是我們習慣稱呼的電動機。例如中大青山采用的雙定子磁懸浮復合轉(zhuǎn)子電機既能將電能轉(zhuǎn)化為機械能，又能將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

　　2、詳細介紹

　　電機分類

　　除了發(fā)電功能外，電動汽車的電機主要還是起電動機的，所以我們以電動機來分類：（只作簡單分類）

　　1.按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。

　　直流電機：

　　按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電機和有刷直流電機。

　　又可分為永磁直流電機和電磁直流電機。

　　永磁直流電機按材料又分為稀土、鐵氧體、鋁鎳鈷永磁直流電機。

　　電磁直流電機按勵磁方式又分為串勵、并勵、他勵和復勵直流電機。

　　交流電機可分：單相電機和三相電機

　　2.按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：可分為直流電機、異步電機、同步電機。

　　異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。

　　同步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負載大小無關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速。

　　3.按用途分，有驅(qū)動電機和控制用電機。

　　4.按運轉(zhuǎn)速度分，有高速電機、低速電機、恒速電機和調(diào)速電機。

　　低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。

　　工作原理

　　1.交流電機

　　單相異步電機通過電容移相作用，將單相交流電分離出另一相相位差90度的交流電。將這兩相交流電分別送入兩組或四組電機線圈繞組，就在電機內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的磁場，旋轉(zhuǎn)磁場在電機轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生感應電流，感應電流產(chǎn)生的磁場與旋轉(zhuǎn)磁場方向相反，被旋轉(zhuǎn)磁場推拉進入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子必須切割磁力線才能產(chǎn)生感應電流，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須低于旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)速，故稱異步電機。

　　三相異步電機不必通過電容移相，本身就有相差120度的三相交流電，故產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場更均勻，效率更高。

　　永磁同步交流電動機的磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子線圈通過電刷供電，轉(zhuǎn)速與交流電頻率為整倍數(shù)（分數(shù)）關(guān)系（視轉(zhuǎn)子線圈繞組數(shù)而定），故稱同步電機。

　　轉(zhuǎn)子線圈通過電刷供電，定子通過線圈繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的電機，按轉(zhuǎn)子線圈與定子線圈的串、并聯(lián)關(guān)系分別稱串勵、并勵電機。

　　2.直流電機

　　直流電機有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子上有磁極（繞組式或永磁式），轉(zhuǎn)子有繞組，通電后，轉(zhuǎn)子上形成磁場（磁極），定子和轉(zhuǎn)子的磁極之間有一個夾角，在定轉(zhuǎn)子磁場（N極和S極之間）的相互吸引下，使電機旋轉(zhuǎn)。改變電刷的位置，就可以改變定轉(zhuǎn)子磁極夾角（假設(shè)以定子的磁極為夾角起始邊，轉(zhuǎn)子的磁極為另一邊，由轉(zhuǎn)子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機的旋轉(zhuǎn)方向）的方向，從而改變電機的旋轉(zhuǎn)方向。

　　電機結(jié)構(gòu)

　　1.永磁式直流電機：

　　由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成。

　　定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結(jié)構(gòu)形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。

　　轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成，漆包線繞在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間（三槽即有三個繞組），其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。

　　電刷是連接電源與轉(zhuǎn)子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。

　　2.無刷直流電機：

　　由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。

　　無刷直流電機的特點是無刷，采用半導體開關(guān)器件（如霍爾元件）來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點。

　　位置傳感器按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進行繞組電流切換）。

　　位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

　　采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ?span id="uwozsue" class='hrefStyle'>集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。電動汽車多用的是霍爾元件。

　　采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

　　采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件（例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等），當永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號（其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。

　　定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。

　　電機特性

　　用于電動汽車的驅(qū)動電機與常規(guī)的工業(yè)電機不同。電動汽車的驅(qū)動電機通常要求頻繁的啟動/停車、加速/減速，低速或爬坡時要求高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時要求低轉(zhuǎn)矩，并要求變速范圍大。而工業(yè)電機通常優(yōu)化在額定的工作點。因此，電動汽車驅(qū)動電機比較獨特，應單獨歸為一類。

　　電機要求

　　他們在負載要求、技術(shù)性能和工作環(huán)境等方面有著特殊的要求：

　　1、電動汽車驅(qū)動電機需要有4-5倍的過載以滿足短時加速或爬坡的要求；而工業(yè)電機只要求有2倍的過載就可以了。

　　2、電動汽車的最高轉(zhuǎn)速要求達到在公路上巡航時基本速度的4-5倍，而工業(yè)電機只需要達到恒功率是基本速度的2倍即可。

　　3、電動汽車驅(qū)動電機需要根據(jù)車型和駕駛員的駕駛習慣設(shè)計，而工業(yè)電機只需根據(jù)典型的工作模式設(shè)計。

　　4、電動汽車驅(qū)動電機要求有高度功率密度（一般要求達到1kw/kg以內(nèi)）和好的效率圖（在較寬的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率），從而能夠降低車重，延長續(xù)駛里程；而工業(yè)電機通常對功率密度、效率和成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行優(yōu)化。

　　5、電動汽車驅(qū)動電機要求工作可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好；而工業(yè)電機只有某一種特定的性能要求。

　　6、電動汽車驅(qū)動電機被裝在機動車上，空間小，工作在高溫、壞天氣、及頻繁振動等等惡劣環(huán)境下。而工業(yè)電機通常在某一個固定位置工作。

　　3、命名標準

　　國標關(guān)于電動車電機的命名標準如下： 派生代號，用大寫漢語拼音字母表示

　　性能參數(shù)代號，用二位阿拉伯數(shù)字表示

　　產(chǎn)品名稱代號，用大寫漢語拼音字母表示機座號，以機殼外徑（mm）表示

　　電動汽車電機

　　產(chǎn)品名稱代號

　　SYT：鐵氧體永磁式直流伺服電動機

　　SYX：稀土永磁式直流伺服電動機

　　SXPT：鐵氧體永磁式線繞盤式直流電動機

　　SXPX：稀土永磁式線繞盤式直流電

　　SWT：鐵氧體永磁式無刷直流伺服電動機

　　SWX：稀土永磁式無刷直流伺服電動機

　　SN：印制繞組直流伺服電動機

　　SR：開關(guān)磁阻電動機

　　YX：三相異步電動機

　　4、檢修方法

　　電機故障的檢修

　　電機的故障有機械故障與電氣故障兩大類，機械故障比較容易發(fā)現(xiàn)，而電氣故障就要通過測量其電壓或電流進行分析判斷了，以下介紹電機常見故障的檢測與排除方法。

　　1、電機的空載電流大

　　當電機的空載電流大于極限數(shù)據(jù)時，表明電機出現(xiàn)了故障。電機空載電流大的原因有，電機內(nèi)部機械摩擦大，線圈局部短路，磁鋼退磁。我們繼續(xù)往下做有關(guān)的測試與檢查項目，可以進一步判斷出故障原因或故障部位。

　　電機的空載/負載轉(zhuǎn)速比大于1.5，打開電源，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，使電機高速空載轉(zhuǎn)動10s以上。等電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定以后，測量此時電機的空載最高轉(zhuǎn)速N1。在標準測試條件下，行駛200m距離以上，開始測量電機的負載最高轉(zhuǎn)速N2?？蛰d/負載轉(zhuǎn)比=N2÷N1。

　　當電機的空載/負載轉(zhuǎn)速比大于1.5時，說明電機的磁鋼退磁已經(jīng)相當厲害了，應該更換電機里面整套的磁鋼，在電動車的實際維修過程中一般是更換整個電機。

　　2、電機發(fā)熱

　　電機發(fā)熱的直接原因是由于電流大引起的，電機電流I，電機的輸入電動勢E1，電機旋轉(zhuǎn)的感生電動勢（又叫反電動勢）E2，與電機線圈電阻R之間的關(guān)系是：I=（E1-E2）÷R，I增大，說明R變小或E2減少了。R變小一般是線圈短路或開路引起的，E2減少一般是磁鋼退磁引起的或者是線圈短路，開路引起的。在電動車

　　的整車的維修實踐中，處理電機發(fā)熱放障的方法，一般是更換電機。

　　3、電機在運行時內(nèi)部有機械碰撞或機械噪音

　　無論高速電機還是低速電機，在負載運行時都不應該出現(xiàn)機械碰撞或不連續(xù)不規(guī)則的機械噪音。不同形式的電機可運用不同的方法進行維修。

　　4、整車行駛里程縮短、電機乏力

　　車續(xù)行里程短與電機乏力（俗稱電機沒勁）的原因比較復雜。但是當我們排除了以上4種電機故障之后，一般說來，整車續(xù)行里程短的故障就不是電機引起的了，這和電池容量的衰減，充電器充不滿電，控制器參數(shù)漂移（PWM信號沒有達到100%）等有關(guān)。

　　5、無刷電機缺相

　　無刷電機缺相一般是由于無刷電機的霍耳元件損壞引起的。我們可以通過測量霍耳元件輸出引線相對霍耳地線和相對霍耳電源的引線的電阻，用比較法判斷是哪只霍耳元件出現(xiàn)故障。

　　為保證電機換相位置的精確，一般建議同時更換所有的三個霍耳元件。更換霍耳元件之前，必須弄清楚電機的相位代數(shù)角是120°還是60°，一般60°相角電機的三個霍耳元件的擺放位置是平行的。而120°相角電機，三個霍耳元件中間的一個霍耳元件是呈翻轉(zhuǎn)180°位置擺放的。

　　電機拆裝與保養(yǎng)

　　一、電機的拆卸

　　電機轉(zhuǎn)子與定子的徑向間隙叫做氣隙（空氣間隙），一般電機的氣隙在0.25-0.8mm之間，當拆卸完電機排除了電機故障之后，一定要對原來的端蓋記號進行裝配，這樣可以防止二次裝配后的掃膛現(xiàn)象。

　　二、電機內(nèi)齒輪的潤滑

　　如果有刷有齒輪轂電機與無刷有齒輪轂電機運行的噪音開始變大，或者更換了電機內(nèi)的齒輪，應將齒輪所有齒面涂滿潤滑脂，一般使用3號潤滑脂或廠家指定的潤滑油。

　　三、電機的組裝

　　在組裝有刷電機之前，請檢查刷握里面彈簧的彈性，檢查炭刷與刷握是否有碰擦，檢查炭刷在刷握里是否能達到最大行程，注意炭刷與換相器的正確定位，以免卡壞炭刷或刷握。

　　5應用特點

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　　無刷直流電動機之所以被廣泛應用于電動車，是因為它與傳統(tǒng)的有刷直流電動機相比具有以下二方面的優(yōu)勢。（1）壽命長、免維護、可靠性高。在有刷直流電動機中，由于電機轉(zhuǎn)速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術(shù)難度較大，特別是傳動齒輪的潤滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機就存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問題。因此無刷直流電動機的優(yōu)勢很明顯。（2）效率高、節(jié)能。一般而言，因無刷直流電動機沒有機械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調(diào)速電路損耗，效率通?？筛哂?5%，但考慮到實際設(shè)計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設(shè)計為76%。而有刷直流電動機的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。

　　電動汽車電機

　　6電機組成

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　　在電動自行車行業(yè)，電機一般指電機總成，包括電機心、減速機構(gòu)等。下面我們講的電動自行車均指電機總成。

　　一、電機的拆卸

　　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(guān)系。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(nèi)的磁鋼上。做好端蓋與輪轂相對位置的標記。注意：一定要對角松動螺釘，以免電機外殼變形。電機轉(zhuǎn)子與定子的徑向間隙叫氣隙（空氣間隙），一般電機的氣隙在0.25-0.8mm之間，當拆卸完電機排除了電機故障之后，一定要對原來的端蓋記號進行裝配，這樣可以防止二次裝配后的掃膛現(xiàn)象。

　　二、電機內(nèi)齒輪的潤滑

　　如果有刷有齒輪轂電機與無刷有齒輪轂電機運行的噪音開始變大，或者更換了電機內(nèi)的齒輪，應將齒輪所有齒面涂滿潤滑脂，一般使用3號潤滑脂或廠家指定的潤滑油。

　　三、電機的組裝

　　在組裝有刷電機之前，請檢查刷握里面彈簧的彈性，檢查炭刷與刷握是否有碰擦，檢查炭刷在刷握里是否能達到最大行程，注意炭刷與換相器的正確定位，以免卡壞炭刷或刷握。

　　安裝電機的時候，首先應清理電機部件表面的雜質(zhì)，以免影響電機的正常運轉(zhuǎn)，并且一定要將輪轂體固定結(jié)實，以免安裝時由于受磁鋼的強力吸引，造成部件相互撞擊、損壞。檢測36V正常，控制器輸出5V、12V正常，電動機電阻正常。把電動機直接連接到36V電池上，電動機運轉(zhuǎn)正常。

　　7發(fā)展經(jīng)歷

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　　永磁無刷直流電機

　　通過改變永磁直流電機的定子和轉(zhuǎn)子的位置，就可以得到永磁無刷直流電機。需注意到是“直流”這個術(shù)語會引起誤解，因為它并不是指直流電機，實際上它采用交流方波供電，所以也稱為永磁無刷方波電機。它最大的優(yōu)點是無刷，消除了電刷帶來的許多問題。而且方波電流方波磁場相互作用可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。佛山照明沈大衛(wèi)教授給的全稱就是“永磁無刷方波力矩電機”。

　　永磁無刷同步電機

　　用永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步電機的勵磁繞組，就能去掉傳統(tǒng)的電刷、滑環(huán)和勵磁繞組的銅損，由于采用正弦交流電及無刷結(jié)構(gòu)，又叫永磁無刷交流電機。其優(yōu)點是高能量密度和高效率，其恒功率區(qū)域有更寬的轉(zhuǎn)速范圍，并可以以矢量控制方法來滿足電動汽車的高性能要求。如南車時代的電機。

　　異步電機驅(qū)動系統(tǒng)

　　異步電機其特點是結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠、低轉(zhuǎn)矩脈動、低噪聲、不需要位置傳感器、轉(zhuǎn)速極限高。

　　異步電機矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，使得異步電機驅(qū)動系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，因此被較早應用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，目前仍然是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流產(chǎn)品（尤其在美國），但已被其它新型無刷永磁牽引電機驅(qū)動系統(tǒng)逐步取代。

　　電動汽車電機

　　最大缺點是驅(qū)動電路復雜，成本高；相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低。