科学瞎想系列之十四 电动汽车动力系统（2）

上回说到控制器说起来容易，做起来难，电机的数学模型可远不能抽象为两个电流分量相乘一定时，如何让它们的平方和最小那么简单。不同的电机数学模型也不一样。本篇就说说驱动电机。 电动汽车驱动电机常见有永磁电机、异步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等种类，其中前两种最为常见。篇幅所限就只说前两种。永磁电机和异步电机在电动汽车领域的市场占有率不相上下。中国和日本由于稀土资源丰富或稀土产业发达，因此其电动汽车多以永磁电机驱动作为主要技术路线 ; 欧美因稀土资源较为贫乏，多以异步电机驱动作为主要技术路线，著名的特斯拉电动汽车就是采用异步电机驱动方案。 从纯技术角度讲，永磁电机和异步电机用于电动汽车驱动各有千秋。永磁电机体积重量小，功率（转矩）密度高，在很大转速范围内可保持高效率，但由于永磁体的磁场较难控制，使其在高速运行时弱磁控制困难，严重影响了其高速性能，另外，电动汽车的高温、振动、湿热等恶劣运行环境也是永磁电机设计需要特别考虑的一个因素。异步电机结构简单，可靠耐用，成本较低，但由于转子中存在电气损耗，因此效率偏低，特别是在低速段效率较永磁电机低得更多。 从结构上说，永磁电机和异步电机的定子结构相同。异步电机转子绕组为两端短接的"鼠笼"结构，结构简单、坚固可靠。"鼠笼"多以铸铝制成，由于铝的电阻率较高，因此转子电气损耗较大，影响异步电机效率，随着工艺技术的进步，出现了铸铜转子和焊接式铜转子绕组，使得异步电机的效率有所提升，在某些特定的转速段可以达到与永磁电机媲美的效率。特斯拉的异步电机就是采用铜转子结构，大大弥补了异步电机的效率劣势。由于鼠笼转子在圆周上各向对称，使得异步电机的数学模型相对简单，可以任意选择一对正交的坐标轴，作为其磁场轴（M轴）和转矩轴（T轴），且每个轴上的电抗参数相同，这样，异步电机的数学模型可看作一个线圈（M）励磁，另一线圈（T）加转矩，在不考虑饱和的情况下采用前述控制策略来控制。由于异步电机气隙较小，又没有永磁体，因此对其磁场控制非常容易，这也使得异步电机的调速范围可以很大。 永磁电机的转子上装有永磁铁，电机磁场主要由其激励产生，无需励磁电流和励磁损耗，因此效率较高。由于永磁转子在圆周方向上只对磁极中心线对称，只能选择磁极轴线作为磁场轴或称直轴（d轴），与之垂直（成90度电角度）的轴作为转矩轴或称交轴（q轴）。d轴磁场不仅由永磁体产生还有d轴电流共同产生，又由于永磁转子上的永磁体装配方式千差万别，主要有嵌入式和表贴式之分，嵌入式的d轴和q轴上电抗参数也不相同，使得永磁电机的数学模型和控制算法极其复杂。低速时，为最大限度地利用永磁体的励磁作用，通常采用Id=0的控制策略以减小总电流，高速时，为了不使端电压太高击穿电力电子器件，需要弱磁（加-Id），但由于永磁体的导磁性能接近空气，弱磁困难，严重限制了永磁电机的高速性能。但有一点，嵌入式转子由于交直轴电抗的差异，会产生磁阻转矩，弱磁时反而会充分利用磁阻转矩，这使得永磁电机高速性能差的劣势得以一定程度的弥补。正因如此电动汽车驱动永磁电机多以嵌入式结构为主。 总之电动汽车驱动电机的设计要比普通电机设计复杂的多，考虑的因素、需要校核的工况和性能参数也多得多。因此业界有个说法，没有搞过汽车电机都不好意思说自己是搞电机的！ 又说多了，到底汽车电机如何设计，且听下回分解。