Электромобили в основном состоят из трех частей: системы электропривода, аккумуляторной системы и системы управления транспортным средством. Система моторного привода – это та часть, которая непосредственно преобразует электрическую энергию в механическую, что определяет эксплуатационные показатели электромобилей. Поэтому выбор приводного двигателя имеет особое значение.
В области защиты окружающей среды электромобили в последние годы также стали горячей точкой исследований. Электромобили могут достигать нулевого или очень низкого уровня выбросов в городском движении и иметь огромные преимущества в области защиты окружающей среды. Все страны прилагают все усилия для развития электромобилей. Электромобили в основном состоят из трех частей: системы электропривода, аккумуляторной системы и системы управления транспортным средством. Система моторного привода – это та часть, которая непосредственно преобразует электрическую энергию в механическую, что определяет эксплуатационные показатели электромобилей. Поэтому выбор приводного двигателя имеет особое значение.
1. Требования к электромобилям к приводным двигателям
В настоящее время при оценке характеристик электромобилей в основном учитываются следующие три показателя эффективности:
(1) Максимальный пробег (км): максимальный пробег электромобиля после полной зарядки аккумулятора;
(2) Способность к ускорению (с): минимальное время, необходимое электромобилю для ускорения с места до определенной скорости;
(3) Максимальная скорость (км/ч): максимальная скорость, которую может достичь электромобиль.
Двигатели, разработанные с учетом ходовых качеств электромобилей, предъявляют особые требования к производительности по сравнению с промышленными двигателями:
(1) Приводной двигатель электромобиля обычно требует высоких динамических характеристик для частого запуска/остановки, ускорения/замедления и управления крутящим моментом;
(2) Чтобы уменьшить вес всего транспортного средства, многоскоростную трансмиссию обычно отменяют, что требует, чтобы двигатель мог обеспечивать более высокий крутящий момент на низкой скорости или при подъеме на уклон и обычно выдерживал 4-5-кратное превышение крутящего момента. перегрузка;
(3) Диапазон регулирования скорости должен быть как можно большим, и в то же время необходимо поддерживать высокую эффективность работы во всем диапазоне регулирования скорости;
(4) Двигатель спроектирован так, чтобы иметь максимально высокую номинальную скорость, и в то же время в максимально возможной степени используется корпус из алюминиевого сплава. Высокоскоростной двигатель имеет небольшие размеры, что способствует снижению веса электромобилей;
(5) Электромобили должны оптимально использовать энергию и иметь функцию рекуперации энергии торможения. Энергия, восстанавливаемая за счет рекуперативного торможения, обычно должна достигать 10–20% от общей энергии;
(6) Рабочая среда двигателя, используемого в электромобилях, более сложна и сурова, что требует от двигателя хорошей надежности и экологической адаптируемости и в то же время обеспечения того, чтобы стоимость производства двигателей не была слишком высокой.
2. Несколько часто используемых приводных двигателей.
2.1 двигатель постоянного тока
На ранней стадии развития электромобилей в большинстве электромобилей в качестве приводных двигателей использовались двигатели постоянного тока. Этот тип технологии двигателей является относительно зрелым, с простыми методами управления и отличным регулированием скорости. Раньше он наиболее широко использовался в области двигателей с регулированием скорости. . Однако из-за сложной механической конструкции двигателя постоянного тока, такой как щетки и механические коммутаторы, его мгновенная перегрузочная способность и дальнейшее увеличение скорости двигателя ограничены, а в случае длительной работы механическая конструкция в двигателе возникнут потери, а затраты на техническое обслуживание возрастут. Кроме того, при работе двигателя искры от щеток вызывают нагревание ротора, трату энергии, затруднение отвода тепла, а также вызывают высокочастотные электромагнитные помехи, которые влияют на работу автомобиля. Из-за вышеуказанных недостатков двигателей постоянного тока в современных электромобилях двигатели постоянного тока практически исключены.
2.2 Асинхронный двигатель переменного тока
Асинхронный двигатель переменного тока — это тип двигателя, который широко используется в промышленности. Он отличается тем, что статор и ротор ламинированы листами кремнистой стали. Оба конца закрыты алюминиевыми крышками. , надежная и долговечная работа, простота обслуживания. По сравнению с двигателем постоянного тока той же мощности асинхронный двигатель переменного тока более эффективен, а его масса примерно вдвое легче. Если принять векторный метод управления, можно получить управляемость и более широкий диапазон регулирования скорости, сравнимый с диапазоном регулирования двигателя постоянного тока. Благодаря преимуществам высокого КПД, большой удельной мощности и пригодности для работы на высоких скоростях асинхронные двигатели переменного тока являются наиболее широко используемыми двигателями в электромобилях большой мощности. В настоящее время асинхронные двигатели переменного тока производятся в больших масштабах, и на выбор предлагаются различные типы зрелой продукции. Однако в случае высокоскоростной работы ротор двигателя сильно нагревается, и во время работы двигатель необходимо охлаждать. В то же время система привода и управления асинхронного двигателя очень сложна, а стоимость корпуса двигателя также высока. По сравнению с двигателем с постоянными магнитами и переключаемым сопротивлением. Для двигателей КПД и удельная мощность асинхронных двигателей низкие, что не способствует увеличению максимального пробега электромобилей.
2.3 Двигатель с постоянными магнитами
Двигатели с постоянными магнитами можно разделить на два типа в зависимости от различных форм тока обмоток статора: один — бесщеточный двигатель постоянного тока, имеющий ток с прямоугольной импульсной волной; другой — синхронный двигатель с постоянными магнитами, имеющий синусоидальный ток. Оба типа двигателей в основном одинаковы по конструкции и принципу работы. Роторы представляют собой постоянные магниты, что снижает потери, вызванные возбуждением. Статор оснащен обмотками для создания крутящего момента посредством переменного тока, поэтому охлаждение относительно легко. Поскольку для этого типа двигателя не требуется установка щеток и механической коммутационной конструкции, во время работы не образуются коммутационные искры, работа безопасна и надежна, обслуживание удобно, а коэффициент использования энергии высок.
Система управления двигателем с постоянными магнитами проще, чем система управления асинхронным двигателем переменного тока. Однако из-за ограничений процесса изготовления материала с постоянными магнитами диапазон мощности двигателя с постоянными магнитами невелик, а максимальная мощность обычно составляет всего лишь десятки миллионов, что является самым большим недостатком двигателя с постоянными магнитами. В то же время материал постоянного магнита на роторе будет иметь явление магнитного распада в условиях высокой температуры, вибрации и перегрузки по току, поэтому в относительно сложных условиях работы двигатель с постоянными магнитами склонен к повреждению. Кроме того, цена материалов с постоянными магнитами высока, поэтому высока стоимость всего двигателя и его системы управления.
2.4 Реактивный двигатель с переключателем
Являясь новым типом двигателя, вентильный реактивный двигатель имеет самую простую конструкцию по сравнению с другими типами приводных двигателей. Статор и ротор представляют собой конструкции с двойными выступами, изготовленные из листов обычной кремнистой стали. На роторе нет никакой конструкции. Статор оснащен простой концентрированной обмоткой, которая имеет множество преимуществ, таких как простая и прочная конструкция, высокая надежность, легкий вес, низкая стоимость, высокая эффективность, низкий рост температуры и простота обслуживания. Кроме того, он обладает превосходными характеристиками хорошей управляемости системы управления скоростью постоянного тока, подходит для суровых условий эксплуатации и очень подходит для использования в качестве приводного двигателя для электромобилей.
Учитывая, что приводные двигатели электромобилей, двигатели постоянного тока и двигатели с постоянными магнитами имеют плохую адаптируемость по конструкции и сложную рабочую среду, а также склонны к механическим сбоям и сбоям в результате размагничивания, в данной статье основное внимание уделяется внедрению вентильных реактивных двигателей и асинхронных двигателей переменного тока. По сравнению с машиной он имеет очевидные преимущества в следующих аспектах.
2.4.1 Строение корпуса двигателя
Конструкция вентильного реактивного двигателя проще, чем асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Его выдающееся преимущество состоит в том, что на роторе нет обмотки, и он изготовлен только из листов обычной кремнистой стали. Большая часть потерь всего двигателя сосредоточена в обмотке статора, что делает двигатель простым в изготовлении, имеет хорошую изоляцию, легко охлаждается и имеет отличные характеристики рассеивания тепла. Эта конструкция двигателя позволяет уменьшить размер и вес двигателя и может быть получена с небольшим объемом. большая выходная мощность. Благодаря хорошей механической эластичности ротора двигателя, вентильные реактивные двигатели могут использоваться для работы на сверхвысоких скоростях.
2.4.2 Схема привода двигателя
Фазовый ток системы привода с переключаемым реактивным двигателем является однонаправленным и не имеет ничего общего с направлением крутящего момента, и только одно главное коммутационное устройство может использоваться для обеспечения четырехквадрантного рабочего состояния двигателя. Схема силового преобразователя напрямую соединена последовательно с обмоткой возбуждения двигателя, и каждая фазовая цепь подает питание независимо. Даже если какая-то фазная обмотка или контроллер двигателя выйдет из строя, достаточно лишь остановить работу фазы, не вызывая большего воздействия. Таким образом, как корпус двигателя, так и преобразователь мощности очень безопасны и надежны, поэтому они больше подходят для использования в суровых условиях, чем асинхронные машины.
2.4.3 Эксплуатационные характеристики двигательной системы
Импульсные реактивные двигатели имеют множество параметров управления, и их легко удовлетворить требованиям четырехквадрантной работы электромобилей за счет соответствующих стратегий управления и конструкции системы, а также они могут поддерживать отличную тормозную способность в зонах высокоскоростной эксплуатации. Реактивные двигатели с переключателем не только обладают высоким КПД, но и сохраняют высокий КПД в широком диапазоне регулирования скорости, что не имеет себе равных среди других типов систем моторного привода. Эти характеристики очень подходят для эксплуатации электромобилей и очень полезны для увеличения запаса хода электромобилей.
3. Заключение
Целью данной статьи является раскрытие преимуществ вентильного реактивного двигателя в качестве приводного двигателя для электромобилей путем сравнения различных широко используемых систем управления скоростью приводного двигателя, что является горячей точкой исследований в разработке электромобилей. Для этого типа специального двигателя еще есть много возможностей для практического применения. Исследователям необходимо приложить больше усилий для проведения теоретических исследований, и в то же время необходимо объединить потребности рынка для содействия применению этого типа двигателя на практике.
Время публикации: 24 марта 2022 г.