电动车辆用永磁同步电机设计

第1章 引 言

电动车辆发展背景

汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严重威胁，再综合能源问题的考虑，于是，具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。典型的例子如美国，1993年9月，美国政府提出了10年完成的“新一代汽车合作计划”(PNGV)，由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划[1]，调动社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段，现在已接近商业化生产。

电动汽车是以电为动力的汽车，电动机是其主要动力来源。

电动汽车分类

目前的电动汽车分类主要有以下两种： 1） 燃料电池电动汽车

初期的电动汽车因电池组体积大、续驶里程短、使用不方便、成本高等缺点，无法与技术已经成熟的内燃机汽车相比。要想发展电动汽车必须在技术上解决比能量、比功率、寿命、成本以及研发经费等各种难题。到了20世纪90年代，电动汽车技术有了显著的进步。如燃料电池的比功率从1997年的0．16kW/kg，提高到2000年的0．47kw/kg，提高了近3倍。燃料电池，尤其是以氢为原料的质子交换膜燃科电池(PEMFC)，成了电动汽车发展的希望[2]。

燃料电池汽车(Fuel Cell—Powered E1ectric Vehicles)实际上是一种使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车，排放物只是没有污染并可再利用的水。燃料电池的发展还有些关键性技术难题，如催化剂、质子交换膜、极板等，这些问题都在研究攻关阶段，但不管如何，“氢能”必将引起汽车工业的革命。

1996年，北京举办的国际电动汽车及代用燃料汽车展览会上，参展的电动汽车有福特的Ranger电动轻卡车，通用的EV1型车，丰田的RAV4L型车，PSA集团的SAXO型车，菲亚特的ZIC等车型，充分展示了电动汽车的发展水平。此外，还有很多混合动力汽车展出。1999年，在日本东京国际车展上，展出的燃料电池汽车有丰田公司功率为75kW的燃料电池汽车；奔驰公司A级

燃料电池汽车，车内空间与内燃机车型相同。功率为50kW，最高速度为150km/h；三菱公司功率为40kW的燃料电池汽车；福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料电池汽车的成果。

2000年10月，通用公司在北京展出了号称“氢动一号”的燃料电池汽车，应用液态氢驱动燃料电池组，总体积与一台普通汽油机相当，功率为80—120kW，整车质量为1575kg，0—100km/h加速时间仅为12秒，这些指标与相应的汽油机汽车基本相当。

丰田公司最新一轮燃料电池汽车FCHV—4，输出功率为90kW，最高时速150km，续驶里程250km。 现在开发出来的汽车代用燃料还有压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇和乙醇等等，这些代用燃料汽车都已投入实际使用，尤其是压缩天然气和液化石油气汽车使用得更广泛一些。另外，还有正在研究阶段的太阳能汽车，以及在设想中的核能汽车等新能源汽车。但是从资源的角度和现在发展状况看，电动汽车是最具生命力的。随着社会的发展，氢燃料电池的氢的提取、氢的储存、氢的社会供应等技术难题会逐渐解决。各大公司都已建立了电动汽车批量生产的总装配生产线。据说，戴姆勒—克莱斯勒、通用、福持、丰田、本田的电动车路试工作已结束，2002年将投入商业化生产。估计到2010年，世界燃料电池汽车的年产量可达100万辆，占世界汽车总产量的1％左右。

图1-1 氢燃料电池车基本工作原理

2）混合动力汽车

混合动力汽车也称为复合动力汽车(Hybrid Vehicle)。混合动力汽车是兼顾降低燃油消耗和减少排放污染两种意义而研制的，也就是说，是向零排放过

渡的一种形式。一般这种车的动力是由一台发动机和一台电动机两套系统组成的，任何一个系统都可以单独使用，也可以边走边充电。正常行驶时用电动机驱动，当需要充电或车辆需要瞬间大功率时，发动机即投入运转。也就是说，可将发动机限定在高效率及排放清洁的范围内运行。由于混合动力汽车是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种形式，成本比电动汽车要低得多(见表3)，虽然比发动机汽车还是高，但技术上比电动汽车要容易实现得多。由于各国、各地区的排放法规日益严格，目前已有很多国家实际使用了混合动力汽车，各大汽车公司都生产和销售这种车型。

混合动力轿车中发动机与电动机的联接基本上有两种形式——并联和混联(串联与并联混合)。在并联形式中，电动机与蓄电池都控制在最小范围内，有利于控制成本和质量；而混联的形式。比较接近电动车，所以燃油经济性较好。

日产公司的Dino混合动力车装备 4缸发动机，无级变速电动机和理离子蓄电池，采用并联方式联接。三菱公司的SUW Advence混合动力车装备 77kW直喷汽油机，与12kW电动机组合一起，并配以锂离子蓄电池。

图1-2混合动力汽车工作原理图

1．3常见电机简介

通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为旋转电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机[3]。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交

通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。

图1-3感应电动机磁感线分布示意图

图1-4感应电动机绕组模型

各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机）。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机[4]。但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到应用。

电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。

电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：①保持输入功率不变。通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。

图1-5电动机转速控制原理框图

图1-5燃料电池工作原理示意图

电动车不在发动机内燃烧汽油。它使用存储在电池中的电来发动。在驱动