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对新能源做到知己知彼永磁同步直流电机是怎样实现无刷驱动的?

日期:2019-02-04 21:23

  相信很多新能源车的车主或者打算购买新能源车的用户都听说过永磁同步直流电机这个名词,因为它在市售的纯电动车中使用率非常高,特别是对于那些20万以下,续航里程400公里以下的纯电动车型,应用非常广泛。吉利,比亚迪,上汽荣威都有很多采用永磁同步电机的车型。那么作为直流电机,它是怎样实现无刷驱动的?为什么叫同步电机?与异步电机有哪些差异?加入永磁体后性能会得到哪些提升?

  其实在高中物理课本里已经学过有刷直流电机的工作原理。我们小时候玩的遥控模型车和拼装四驱车用的都是有刷直流电机。我在上一篇专栏《交流异步电机时如何实现无刷驱动的?》中也详细介绍过这种电机的驱动原理,这里就不展开讲了。不过,还是要提几个要点。从有刷直流电机的原理中可以看到,这种电机必须要有转向器才能实现驱动。所谓转向器指的就是电机的转子每转过180度,正负极就要对调一次。也就是说转子每转半圈需要让线圈里的电流方向反转。所以,真正流入线圈的并不是纯的直流电,而是每转过180度需要换向的方波电流(如果把电流值和时间轴画成波形为矩形方波)。由此可见直流电是不可能直接驱动电机运转的,必须经过波形处理。

  永磁直流同步电机与我们在课本上学的有刷电机结构不同,它是把线圈绕组作为定子,永磁体作为转子设计的。永磁体主要采用钕铁硼磁材料制成,由于含有稀土,所以成本非常高。不过好在中国式是世界稀土含量非常大的国家,所以大力发展电动车不会危及到国家安全。钕磁可能对很多玩音响的朋友并不陌生,如果扬声器采用的是钕磁材料,那么它的磁性会非常高,这就意味着很小的体积就能发出很大的声响,并且需要高功率才能推动的低音会很震撼。所以,把钕磁用在电机当中作为永磁体同样会极大的提升电机的功率密度,降低体积和重量。

  永磁直流同步电机的定子则是由三相绕组构成。所以,转子不通电,由定子来接通电流。要想让电机转动必须获得旋转磁场。由于转子已经是永磁体,它的磁级是固定的,所以旋转磁场只能由定子绕组产生。

  如果使用三相电流驱动,那么需要在定子中有三套绕组,每套绕组布置在120度的电机壳体内壁上,三套绕组构成了完整的圆型定子。所以只要让这三套绕组交替通电,并且交替频率与转子旋转频率保持一致,就能获得旋转磁场。这个原理与课本里学过的有刷直流电机原理一样,只不过课本里学的是用最简单的两相电流来驱动电机,而车用直流电机采用的是三相电流来驱动电机。

  传统有刷电机采用的是转向器来获得两相矩形波电流,我们知道转向器是通过与电刷的接触来改变电流相位的。对于无刷的永磁同步电机,则需要一套半控桥电路来获得三相矩型波电流。这套系统是由三个功率晶体管(可以理解为电子开关)和一个转子位置(相位)传感器组成。每个功率晶体管连接一套绕组,转子位置传感器用来检测转子转过的角度,转子每转过120度,前一个通电的绕组在功率晶体管的控制下断电,后一个绕组通电,这样交替往复循环。不过在实际设计中考虑到运动惯性,会把这个角度设定为130度,这类似于汽油发动机的配气叠加角一样,为了让转子更加顺畅的运行,绕组通电频率与转子旋转(相位)频率完全一致,在转子位置传感器的控制下,实现闭环控制。这就是为什么把这种电机叫做同步电机的原因。因为转子转速和相位与绕组旋转磁场在任何转速、任何情况下始终保持一致,所以叫做同步电机。

  ▲虚线框内为半控桥电路,由V1 V2 V3三个电子开关构成,用来获得三相方波电流

  本质上讲,虽然给电机接入的是直流电,但是在半控桥电路和转子位置传感器的作用下,把只有正负两极的直流电转换成了有三个正负级的三相直流电,并且由转子位置传感器控制三个绕组依次通电,从而获得旋转磁场。这样通过控制接入的电压或电流的大小就可以实现电机的调速。

  由于车用的电池包输出的是高电压的直流电,所以相比交流异步电机,永磁直流同步电机不需要大功率的逆变器把直流电转换成正弦波的交流电——毕竟这个转换过程是会造成一定程度的电能损失的。所以在这方面,永磁直流同步电机就提高了电池电量的使用效率。

  转子采用永磁体结构,所以转子本身自带磁场,不需要像交流异步电机那样靠额外的感应电流产生磁场,也就是说转子不需要用电来生磁,所以能耗要低于交流异步电机。

  采用了稀土作为高磁性材料后,转子重量得到减轻,电机的功率密度得到提升。所以同样功率情况下,永磁直流同步电机重量更轻体积更小,并且转子的响应速度更快。

  由于永磁体的磁性有限,不能无止尽的增加磁场强度,所以最大功率要低于交流异步电机。另外,稀土材料价格很高,永磁直流同步电机成本并不便宜,如果想做到非常大的功率就要设计足够大的永磁体,那么成本将会极大的上升。所以往往永磁同步直流电机功率都不会做得非常大,而且主要使用在讲究电能使用效率的经济型电动车当中。

  永磁体还有一个性能缺点就是高温容易退磁,所以不适合使用在工作温度高、工作环境恶劣的车型上。对于性能要求较高的高档车,往往采用交流异步电机的较多。当然也有永磁同步电机和交流异步电机混合使用的车型,我会在后续的专栏当中与大家分享。

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