徽县电工培训学校,直流无刷电机性能分析

一、无刷直流电机的意义
人们对环境和能源的日益关注,推动了电动汽车的发展,加速了世界强国在电动汽车领域的竞争。在目前电池技术制约下,如何提高电能效率、提高电动汽车续驶历程,是电动汽车行业关注的焦点。无刷直流电机启动转矩大、调速性能好、效率高、能量密度大、过载能力强、性能稳定、安全可靠,是电动汽车的理想驱动电机。无刷直流电机的产业化生产,对提高电动汽车性能、促进电动汽车行业发展、使我国电动汽车行业赶超世界先进水平具有积极的促进作用。
二、无刷直流电机的先进性
电动车辆主要用于城市交通,车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态,因此电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、制动时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要,是衡量电动车辆电机的重要指标。目前电动车辆还没有专用电机可选,只能选用通用电机,如直流串激电机、直流并激电机、永磁直流电机、异步电机等。通用电机的负载特性为恒负载特性,而电动车辆特性为变负载特性,两者特性不匹配,影响了电机出力,进而影响了电动车辆性能。另外,通用电机的较大效率点均设计在额定点附近,当负载偏离额定点时,电机效率急剧下降,影响了车辆的续驶里程。开关磁阻电机在低速时具有较大的转矩,但效率偏低,永磁同步电机具有较高的效率,但低速时转矩无法提升。只有无刷直流电机具备了以上电机的所有优点,它具有串激直流电机的低速转矩提升功能、并激直流电机的调速性能、永磁同步电机的高效特性和接近异步电机的可靠性,非常适合电动车辆的需要。现就各种电机技术指标汇总见表1。
表1 各种电机技术指标汇总
电机
性 能 直流串激电机 支流并激电机 永磁直流电机 鼠笼异步电机 磁阻开关电机 永磁同步电机 无刷直流电机
起动性能 5 4 4 2 3 4 5
低速性能 5 4 4 3 3 4 5
低速时效率 3 3 4 3 4 5 5
平均效率 3 3 4 4 3 5 5
能量密度 2 2 3 4 4 5 5
过载能力 4 4 4 4 3 5 5
再生能力 3 5 4 3 2 5 5
可靠性 2 2 2 5 5 4 4
制造成本 4 4 4 5 5 4 4
控制器成本 5 5 5 4 4 4 4
合 计 36 36 38 37 37 45 47
从上表看无刷直流电机是较为理想的电动车辆驱动电机,与其它电机相比其主要优点为：①电机外特性好,非常符合电动车辆的负载特性,尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性,能够提供大的起动转矩,满足车辆的加速要求。②速度范围宽,电机可以在任何转速下全功率运行,这是无刷直流电机的独有特性,这样可以省去汽车的机械变速器,改变内燃车辆的传动模式,进一步提高整车效率。③电机效率高,尤其是在轻载车况下,电机仍能保持较高的效率,这对珍贵的电池能量是很重要的,该种电机可比永磁直流电动机提高效率10％以上,比Y系列电动机提高效率20％以上。④过载能力强,这种电机比Y系列电动机可提高过载能力20％以上,满足车辆的突起堵转需要。⑤再生制动效果好,因电机转子具有很高的永久磁场,在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态,给电池充电。⑥电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。⑦电机无机械换向器,采用全封闭式结构,防止尘土进入电机内部,可靠性高。⑧电机控制系统比异步电机简单。
无刷直流电机是在永磁同步电机的基础上发展而来,它比永磁同步电机具有更高的效率和更大的低速转矩,两种电机的外特性见图1。

(整理：电工培训学校)