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电动汽车用直流电机简介

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  • 发布时间:2017/10/26 16:51:33
  • 作者:ly_yinhe

  在早期开发的电动汽车上都采用直流电机,即使到现在,还有一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。但由于存在电刷和机械换向器,不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高,而且如果长时间运行,势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外,由于损耗存在于转子上,使得散热困难,限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷,在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机。

电动汽车直流电机结构

  电动汽车直流电机主要由定子、转子及换向器组成,其结构如图所示。

电动汽车直流电机机构

图示:电动汽车直流电机机构

01定子

  直流电机的定子也称为主磁极,其主要构成是磁极铁心和磁极绕组。

  ① 主磁极:主磁极的作用是在定子和转子之间的气隙中建立磁场,使得通电电枢产生电磁转矩。主磁极铁心通常由厚度为0.5~1mm的低碳钢片叠装而成,在磁极铁心上绕有励磁绕组。主磁极总是成对出现,通电后形成的N极和S极互相间隔排列。

  ② 电刷组件:电刷的作用是将直流电引向转动的电枢绕组,并与换向器配合,使得电枢绕组的电流及时换向,以产生方向不变的电磁转矩。电刷组件由电刷、刷架、电刷弹簧等组成,电刷架固定在端盖上。

02转子

  直流电机的转子也称为电枢,由电枢铁心和电枢绕组构成,转子总成还包括换向器。

  ① 电枢铁心:电枢铁心由厚度为0.35~0.5mm的硅钢片叠装而成,铁心本身构成电机主磁路的一部分,铁心上面的槽用来嵌装电枢绕组。

  ② 电枢绕组:电枢绕组在磁场中通电后产生电磁转矩,电磁转矩带动电枢绕组运动。电枢有多匝绕组,按一定的绕制方式嵌装在电枢铁心的槽中。每匝电枢绕组都与换向片连接形成闭合回路。

03换向器

  换向器的作用是使电枢绕组中的电流及时换向,将从电刷输入的直流电转换为电枢绕组的交流电。换向器是由许多铜片组成的,各铜片用云母片绝缘。

电动汽车直流电机特点

  与交流电机、无刷直流电机以及开关磁阻电机等其他新能源汽车电机相比,直流电机的优点如下:

  ① 调速性能良好:直流电机具有良好的电磁转矩控制特性,可实现均匀平滑的无级调速,具有较宽的调速范围。

  ② 起动性能好:直流电机具有较大的起动转矩。

  ③ 具有较宽的恒功率范围:直流电机恒功率输出范围较宽,可确保电动汽车具有较好的低速起动性能和高速行驶能力。

  ④ 控制较为简单:直流电机可采用斩波器实现调速控制,具有控制灵活且高效、质量轻、体积小、响应快等特点。

  ⑤ 价格便宜:直流电机的制造技术和控制技术都比较成熟,其控制装置简单、价格较低,因而整个直流驱动系统的价格较便宜。

  直流电机的主要缺点:

  ① 效率低:比交流电机的效率低。

  ② 维护工作量大:有刷直流电机工作时电刷和换向器之间会产生换向火花,换向器容易烧蚀。

  ③ 转速低:转速越高,电刷和换向器产生的火花越大,这限制了直流电机转速的提高。

  ④ 质量和体积大:直流电机功率密度低,质量大,体积也大。

电动汽车直流电机控制系统

  一般而言,直流电机的转速控制可以通过两种方法实现,即电枢控制和励磁控制。电枢调速方式属于恒转矩调速,励磁调速方式属于恒功率调速。当直流电机电枢电压减小时,电枢电流和电机转矩就会降低,由此引起电机转速降低。反之,当电枢电压增加时,电机转矩就会增加,由此会引起电机转速增加。由于电枢的最大允许电流不变,且磁场是固定的,电枢电压的控制可在任何转速下保持最大转矩不变。然而,由于电枢电压不能超过其额定值,这种控制方法只适于直流电机的工作转速低于基速的场合。

  另外,当电枢电压值恒定,直流电机的励磁电压减弱时,电机的感应电动势就会降低。由于电枢电阻很小,电枢电流增大的程度比磁场减弱的程度要大,因此,电机转矩增加,电机转速也随之增大。由于电枢的最大允许电流是常数,所以当电枢电压保持不变时,无论转速多大,感应电动势都是恒定的。因此,电机所允许的最大功率恒定,允许的最大转矩随电机转速的变化而逆向变化。所以,为使电动汽车的直流电机有较宽的转速控制范围,电枢控制必须和励磁控制相结合。

  当电机转速在零与基速之间时,励磁电流保持在额定值,采用电枢控制。当电机转速超过基速时,电枢电压保持在额定值,采用励磁控制。采用电枢与励磁控制相结合的控制方式所允许的最大转矩与最大功率。

  电动汽车使用直流电机时的电机控制器一般以斩波方式工作,也称为直流斩波器,主要由功率开关模块和中央控制器构成。斩波器是直流电源和负载电机之间的一个周期性通断的开关控制装置,它的作用是改变供给电机的电压。实际上,它作为一个电压调节系统而工作,由于采用斩去输入电压而变成在时间上断续的脉冲输出,这类调节器因此而得名。