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新能源汽车基本故障诊断策略(十六)连载

2019-11-07 浏览次数:2,593 次 新能源汽车维修技术

一辆电动汽车无法高速行驶,车间主管初步诊断结果为驱动电机故障,让你对电机进行检查,你能完成这个任务吗?

1.驱动电机的功能和特点

电机,也称“驱动电机”,是一种将电能转化成机械能,并可以再使机械能产生动能,用来驱动其他装置的电气设备。

驱动电机对于新能源汽车来说就像人的心脏一样重要,它负责给整车提供驱动的力,是新能源汽车驱动系统的核心部件之一。

驱动纯电动汽车和混合动力汽车的电机需要在各个转速下均能够产生转矩。下图表示的是汽车驱动用电机的转速与转矩之间的关系,这种曲线被称为转速转矩曲线。汽车用驱动电机在中速以下时要求恒定功率输出,转矩与速度组合决定电机的运转情况,根据坡道起步、急加速、行驶区域、高速巡航等不同的行驶状态,会发生很大的变化。

新能源汽车采用的驱动电机有以下特点。

1)体积小、功率密度大

由于新能源汽车的整车空间有限,因此第一要求驱动电机的结构紧凑、尺寸要小。这就意味着电机系统(驱动电机+电机控制器)的尺寸将受到很大的限制,电机设计厂家必须想尽办法缩小驱动电机的体积,即提高电机的功率密度和转矩密度。尤其是民用的乘用车,对电机的体积限制要求很高,因此业内一般选用高功率密度的永磁同步电机作为驱动电机解决方案的。

2)效率高、高效区广、质量轻

新能源汽车驱动电机的第二个特点就是效率要高、高效区要广、质量要轻。续航里程一直是新能源汽车的短板,而提升续航里程的方法就是提升驱动电机的效率,保证每千瓦·时电都能发挥最大的用处。驱动电机的高效工况区要够广,保证汽车在大部分工况下的都是处于高效状态下。减轻电机质量,也能间接降低整车的功耗,实现续航里程提升,如图所示。

3)安全性与舒适度

基于汽车用户的体验,新能源汽车驱动电机还需关注电机自身的安全性和舒适度。安全性可以理解成电机的可靠性,即电机在恶劣环境下能否正常工作。可通过高低温箱试验来进行安全性能检测。舒适度,即电机在运行时是否会对驾驶人产生体验上的不适,关注的是电机运行时的振动和噪声情况,如图所示。

2.驱动电机类型

电机(电动机)从很早以前就已经实用化,并且产品种类、形式也越来越丰富。表中所示即为按照电机电源供给进行的分类,主要包括有以下几种类型。

1)直流电机

直流电机是输出或输入为直流电能的旋转电机,它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

下图所示为直流电机基本结构示意图,它的固定部分(定子)上,装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S,在旋转部分(转子)上装设电枢铁芯。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁芯上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘,由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上,换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

2)感应电机

感应电动机,又称“异步电动机”,即转子置于旋转磁场中,在旋转磁场的作用下,获得一个转动力矩,因而转子转动。转子是可转动的导体,通常多呈鼠笼状,如图所示。

感应电机的笼型导体是将棒状的导体排布在圆周上,在端部通过圆环短路。感应电机的内侧为线槽,在其内部缠绕绕组,绕组由U、V、W三组构成三相分布绕组。下图所示为感应电机绕组。

三相分布绕组接通三相交流电流以后产生旋转磁场,通过磁场旋转移动,转子导体棒横穿磁场,根据右手法则,在转子内产生电动势,该电动势使得电流在转子导体内流动,再按照左手法则,由转子导体的电流与定子的励磁产生力,产生转矩。

感应电机的主要特点是转子与定子磁场变化之间存在转速差。

3)永磁同步电机

同步电机是指转子转速与定子旋转磁场的转速同步的电机,如图所示。
电机的转子为永磁磁体,转子磁体的N极、S极随着定子绕组的旋转磁场磁极的移动而旋转,磁场产生磁通量,电枢完成电能与机械能的转换。

永磁同步电机主要是由转子、端盖及定子等各部件组成的。一般来说,永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常相似,主要是转子的独特的结构与其他电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构,在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择,所以永磁同步电机通常会被分为三大类:内嵌式(IPM)、面贴式(SPM)及插入式,如图所示。

用于汽车驱动的同步电机几乎都为旋转磁极式,转子使用永磁体。此外,同步电机开环控制容易产生脱离同步运转的情况,因此需要对转子的磁极位置进行检测,根据磁极的变化改变定子三相电缆电流的供给。

永磁同步电动机由于转子是永磁体励磁,随着转速的升高,电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限,这时要想继续升高转速只有靠调节定子电流的大小和相位增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速,电机的弱磁能力大小,主要与直轴电抗和反电势大小有关,但永磁体串联在直轴磁路中,所以直轴磁路一般磁阻较大,弱磁能力较小,电机反电势较大时,也会降低电机的最高转速。

永磁式电动机结构如图所示。

4)磁阻电机

为了提高弱磁能力,针对永磁同步电机提出了改进电机本体结构,从电机结构的角度来研究弱磁能力,提出采用凸极式转子结构的永磁同步电机。凸极式转子结构就是转子的直轴磁阻大于交轴磁阻,表现为凸极电机的性质。这样,电机电磁转矩的组成就类似于普通的凸极永磁同步电机,由永磁转矩和磁阻转矩组成。然而,永磁磁阻式同步电机的电磁转矩又和普通凸极永磁同步电机有所不同,普通的凸极永磁同步电机的永磁磁场非常强,占转矩的主要成分,但同时也造成了高速弱磁的困难。而在永磁磁阻式同步电机中,永磁含有量较小,永磁的主要作用是励磁、提高功率因数、效率和较小逆变器的容量。由于永磁磁通量较小,因此弱磁容易,有很高的恒功率比范围,如下图所示。

永磁磁阻式同步电机永磁含有量较小,因此弱磁容易,可以很方便地解决了永磁电动机的恒功率调节问题。

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