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【科普】电动汽车电驱动系统分析

发布时间:2022-10-02 09:35:28 来源:华体会全站官网登录入口 作者:华体会全站官网在线注册

  电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应。

  包括正弦波永磁同步电机(PMSM)及其控制系统和矩形波无刷直流电机(BDCM)及其控制系统,由于前者低速转矩脉动更小且高速恒功率区调速更稳定,因此比后者具有更好的应用前景,正弦波永磁同步电机(PMSM)及其控制系统中的电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速。

  转子无永磁体或绕组设计,控制方式类似步进电机控制,可以认为是大步距角、利用磁阻效应控制的功率型驱动电机系统。

  直流电机的分类:绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机,小功率电机采用永磁式,大功率电机采用绕组励磁式。绕组励磁式直流电动机根据励磁方式分为他励、并励、串励、复励。

  他励:励磁绕组与电枢绕组无连接关系,由其他直流电源对励磁绕组供电,永磁直流电机可看作他励直流电机。运行过程中励磁磁场稳定且容易控制,易实现再生制动,当采用永磁激励时,电机效率高,重量体积小,但由于励磁磁场稳定,电机机械特性不理想,无法产生足够大的输出转矩。

  并励:励磁绕组与电枢绕组相并联,共用同一电源,励磁绕组两端电压就是电枢绕组两端电压,励磁绕组细导线绕成,匝数多,电阻大,励磁电流较小。

  串励:励磁绕组与电枢绕组相串联后,再接于直流电源。励磁电流就是电枢电流。为使励磁绕组不致引起大的损耗和电压降,励磁绕组电阻越小越好。

  复励:有并励和串励两个励磁绕组,电机的磁通由两个励磁绕组中的励磁电流产生。串励、并励产生的磁通势方向相同称为积复励,方向相反称为差复励。通过控制励磁绕组的励磁电流和励磁磁场大小来克服永磁他励电机不能产生足够转矩的要求。

  对于直流励磁的同步发电机来说,励磁绕组就是发电机的转子绕组,电枢绕组就是发电机的定子绕组。

  无刷直流电机按工作特性可分为具有直流电机特性的无刷直流电机和具有交流电机特性的无刷直流电机。

  具有直流电机特性的无刷直流电机,反电动势波形和供电电流波形都是矩形波,称为矩形波同步电机。这类电机由直流电源供电,用位置传感器检测转子位置,检测出的信号触发相应的电子换向线路实现无接触式换向。

  具有交流电机特性的无刷直流电机,反电动势波形和供电电流波形都是正弦波,称为正弦波同步电机,直流电源供电,通过逆变器将直流转化为交流。

  无刷直流电机工作原理与有刷直流电机工作原理基本相同。它利用电动机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件,使电枢绕组依次馈电,从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场,拖动电动机转子旋转。同时,随着电动机转子的转动,转子位置传感器又不断检测位置信号,以不断地改变电枢绕组的通电状态,使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变,电动机可以保持连续旋转。

  1.外特性好,符合电动汽车负载特性,具有低速大转矩特性,能提供大的起动转矩。

  4.过载能力强,比Y系列电动机(笼型转子异步电动机)提高过载能力两倍以上,满足电动车突起堵转需要。

  5.再生制动效果好,其转子具有很高的永久磁场,汽车下坡和制动时可完全进入发电机状态,同时起到电制动作用,减轻机械刹车负担。

  2.异步电机结构简单,制造、维护、使用方便,运行可靠性高,重量轻、成本低。具有接近恒速的负载特性。

  3.电机的转速与旋转磁场的同步转速有固定的转差率,调速性能较差。转子旋转速度低于旋转磁场的同步转速。

  当异步电机的三相定子绕组通入三相交流电后,产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,在转子绕组中产生感应电动势,电动势方向用右手定则确定。由于转子绕组是闭合通路,转子中便有电流产生,电流方向与电动势方向相同,载流的转子导体在定子旋转磁场作用下产生电磁力,电磁力方向用左手定则确定,电磁力进而产生电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。

  当定子侧通入三相对称电流,由于三相定子在空间位置上相差120,所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场,转子旋转磁场中受到电磁力作用运动,此时电能转化为动能,永磁同步电机作电动机用。

  永磁同步电机功率密度高,可靠性高,功率因数高,效率高,更加省电,调速控制性能好,具有较宽的调速范围,起动力矩大、噪音小、温升低。永磁同步电机没有励磁损耗和散热问题,电机结构简单,体积比同功率的异步电机小15%以上。

  开关磁阻电动机是由双凸极的定子和转子组成,其定子、转子的凸极均由硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组,把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极,称为“一相”,转子既无绕组又无永磁体。

  开关磁阻电动机有多种不同的相数结构,如单相、二相、四相及多相等,且定子和转子的极数有多种不同的搭配,目前应用较多的是四相8/6极结构和三相6/4极结构。

  1.可控参数多,调速性能好。可控参数有主开关开通角、主开关关断角、相电流幅值、直流电源电压等,控制方便,可四象限运行,容易实现正转、反转和电动、制动等特定的调节控制;

  2.结构简单,成本低。开关磁阻电动机转子无绕组,也不加永久磁铁,定子为集中绕组,比永磁电动机及感应电动机都简单,制造和维护方便;

  3.损耗小,运转效率高。开关磁阻电动机的转子不存在励磁及转差损耗,相应的损耗也小;控制灵活,易于在很宽转速范围内实现高效节能控制;

  4.起动转矩大,起动电流小。在15%额定电流的情况下就能达到100%的起动转矩。

  3.电动机的出线头相对较多,还有位置检测器出线.电动机的数学模型比较复杂,其准确的数学模型较难建立;

  轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式:内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机,电机的最高转速在1000-1500r/min,无减速装置,车轮的转速与电机相同;而内转子式则采用高速内转子电机,配备固定传动比的减速器,为获得较高的功率密度,电机的转速可高达10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现,内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。

  3.电机与车轮集成导致非簧载质量较大,恶化悬架隔振性能,影响不平路面汽车行驶下的操控性与安全性,同时,轮毂电机承受很大的路面冲击载荷,电机抗震要求苛刻。

  4.汽车大负荷低速爬长坡工况下容易出现冷却不足导致电机过热烧毁问题,电机的散热和强制冷却需要重视。

  6.轮毂电机运行转矩的波动会引起汽车轮胎、悬架以及转向系统的振动和噪声,以及其他整车声振问题。

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