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用电机转矩和功率的再思考

转矩、转速和“体格” 
物理学中的力矩就是力, 功率就是做功的量。
我们熟悉的“加速靠转矩,最 高转速要靠功率”的说法,其实是错误的。实际上, 加速也好,达到最高转速也好,都由电机的功率决定。电机的功率是与  转矩 × 转速 成正比的。此外,电机的转矩是它的“体格”决定的, 这一点也很重要。我们要了解电机转矩产生的原理,就要再次回 到弗莱明左手定则: 
  F =I×B×L 
决定转矩的三要素:
I(电流)、B(磁场密度)、 L(导线长度)。这样,我们就明白:要使 F 增大, 就必须加大电机的“体格”。此外,在“电负荷与磁负荷”中,我们也讲过 电机的输出功率与    电负荷 × 磁负荷 × 转速 
成正比。加大电负荷,就要增加绕线空间;而加大 磁负荷,就必须增加可以产生有效磁通量的铁心(在 磁通密度相同的条件下,必须加大磁路的横截面积)。
功率相同的情况下,低转速电机的体积更大
 决定电机输出功率的另一要素就是转速。如前 所述,转速、电负荷、磁负荷有着相互依存的关系。电机设计就是根据需求,对这 3 个要素进行调整。DD 电机(包括轮毂电机)的转速与车轮的 转速是相同的。在汽车上使用的电机,其转速为 1000~1500r/min。对电机而言,这样的转速非常低。然而,要在这么低的转速下,实现大功率输出,就 必须增大    电负荷 × 磁负荷 由于是乘积关系,两者都需要增大。就像前面 提到的那样,这将直接影响电机的“体格”。也就是说, 要增大 DD 电机的输出功率,就不得不增大它的体 积(质量)。 
一般 EV 使用的是高转速电机
相反,电机的转速越高,电负荷和磁负荷就可 以变小。也就是说,小型、轻量型电机也可以实现 大功率输出。至此我们应该了解,为何 EV(太阳能车比赛、 节能行驶比赛等特殊用途除外)采用的都是减速机 搭配高转速电机使用。同样,我们也可以理解,为 何学生方程式 EV 锦标赛赛车通常不使用 DD 电机, 而采用有减速机的结构。笔者也试做了一台照片 1 所示的电机(与减速机组成的一体式驱动单元),
直驱转台
以供大家参考。这台电机应该也适用于学生方程式 EV 锦标赛。这不是学生方程式赛车专用电机,也可以作为 小型 EV 驱动模块使用。其特征是双电机左右独立 驱动,不使用差动齿轮。另外,因其采用了左右独立驱动结构,也可以 应用在改变左右转矩,进行转矩分配控制的实验。右转时,如果让左侧驱动轮的转矩大于右侧驱动轮 的转矩,只需要稍微打一下方向盘,就可以轻松地 实现转向。不管怎么说,我们应该理解电机的特性: 
·电机的体格决定转矩
 ·提高电机的转速可以增加电机功率 
 
电机发热的对策
 数十千瓦级电机必须冷却
 前面我们提到,电机设计就是让电机的转速、 电负荷、磁负荷这 3 个要素变得平衡和合理。但做到了这些,也并不意味着我们设计出了理 想的电机。还有一个我们无法逃避的大难题,就是 电机的发热问题(在学生方程式比赛用车相关内容 中有所提及)。这一问题与电机的效率问题稍微有 些不同。额定输出只有几百瓦的电机,通过提高电机效 率的设计,可以将电机发热控制在很低的水平。如 额定功率为 300W、效率为 90% 的电机,其功率损 耗为 10%,也就是 30W。损失的这 30W 是以电机发热的形式被消耗掉的。如果电机的发热只有这么多, 一般是不需要冷却的,或者让其自然冷却就可以了。假设我们有一台 30kW 的电机,同样情况下, 它会变成什么样呢?即使电机效率同样是 90%,这 时的热损耗(发热)是 3kW——相当于 3 台 1kW 电 炉子在工作。
 冷却从绕组开始!
 电机的损耗也有来自电机自身以外的因素。即 使我们忽略这些损耗,电机内部总是存在 3000W 热 量而得不到冷却,可是不行的。即使我们把电机效 率提高到 95%,它的发热也有 1500W……这绝对是 不行的。不管是使用风冷、水冷、油冷中的哪一种方法, 总之我们要做的就是对电机,特别是对其绕组进行 冷却。这一点,对于从事电机设计的人,肯定深有 体会。在制造这个级别的电机时,说得极端一点“只 需考虑如何处理这些热量就可以了”。电机发热这 一问题的解决是个很大的难题。从电机发热的来源 来看,绕组产生的热量是最多的。所以,对电机冷 却的首选对象就是绕组。
冷却绕组,究竟用风冷还是水冷?
 给绕组降温,风冷是很有效的。但 EV 用电机 要求防尘、防水,多数情况下都采用全封闭结构。要给封闭的电机降温,就要求电机具有可以让空气 循环的复杂结构。为此,市售的用于 EV 的电机所采用的都是水 冷结构。水冷也需要较复杂的系统,如水冷的水路、散 热器、水(油)循环泵等辅助装置。而风冷,只要 在转子上安装一个风扇就可以自己散热,这样的自 冷结构可以简单地实现散热。严格意义上讲,水冷方式并不能直接对绕组(发 热源)进行冷却,而是通过绕组缠绕的铁心进行间 接冷却。说到这里,这与汽车发动机开发初期的情况很 相近。很久以前,本田在大型摩托车发动机冷却上 执着于风冷是出了名的:“即使通过水的循环带走 了发动机(气缸)产生热量,但最终还是需要空气 来吸收这些热量。这样的话,还不如通过风冷直接 带走这些热量呢。”这也不无道理。随着技术、材料的快速发展,电机今后也会得 到进一步进化。比如,如果我们开发出与常温超导 体相近的材料,即使是再大的电机,也只要自然冷 却就可以了。 
 
电机通电方式的选择
 理想的是正弦波通电,但矩形波也不是不可以
 接下来,我们考察电机的通电方式。EV 节能行 驶比赛用车大多使用 100W 左右的电机,太阳能车 使用 1000~2000W 的电机,这些电机适合采用“120° 矩形波通电”。从电机的驱动原理来看,使用正弦 波波形通电才是最佳的。但是,这样控制器的电路 就变得复杂了。另外,这些比赛都以能量消耗最小 化为目的,复杂的控制器自身功耗比采用矩形波通 电时大很多。在节能行驶比赛中,有些赛车只需使用 50~70W 电机就可以行驶,电子电路(控制器)的功耗会对 比赛结果产生很大的影响。从这个意义上讲,矩形 波通电方式很适合这类比赛(如果有低功耗正弦波 电路就另当别论了)。 
 提高 PWM 占空比 
从电机的效率来看,矩形波通电还有另一个优 点。一般这类比赛使用的电机都通过 PWM 控制来调 节电机输出功率。采用 PWM 控制就会发生开关损耗, 这也是降低电机效率的一个因素。因此,对这类比 赛(特别是平坦赛道上的匀速比赛)的电机进行速 度设定时,最好尽量提高 PWM 占空比。以 100% 的 占空比行驶是最理想的。这时,开关只要按照换流的频率进行切换就可 以了。但是,正弦波通电时,需要生成正弦波,(通 过载波频率)开关总是不断进行的,而且要将 PWM 占空比切分为很小的等份。这样产生的正弦波电压, 再加到绕组上,从原理上看,产生的开关损耗增多。这些损耗对输出功率在几十千瓦或几千瓦的赛车来 说,是不可忽视的。
 处理大功率时需要正弦波通电
 刚才讲了电机的通电方式。它完全是为 EV 节 能行驶比赛这一特定条件下使用的电机的控制考虑 的,如果用在学生方程式 EV 锦标赛或一般 EV 电机 上,情况就完全不同了。首先,电机的输出功率增大时,控制器开关损 耗的影响相对变小。相反,采用矩形波通电方式的 情况下,在波形上升沿 / 下降沿,电压会被急剧地 施加到绕组上或从绕组切断。换流时,电机的电流 波形会发生振荡(产生很大的干扰),由此产生很 大的损耗。另外,如果没有节能行驶比赛的那些限制条件 (环形赛道行驶或平道巡航),这种通电方式适合 各种形式的行驶。起动、加速、减速、上坡、下坡、 乘坐人数的变化、装载货物的多少等,都会引起电 机负载的变化。在这种情况下,单纯的矩形波通电 不能有效地发挥其性能,应该采用正弦波通电方式。 
 
电机的进角调整
  你了解发动机的进角调整吗? 
发动机控制中使用的“进角调整”,大家听说 过吗?汽油发动机的工作原理:
①气缸活塞下行, 气缸内空间扩大,吸入汽化燃料(汽油)和空气; 
②活塞上行,使气缸内的混合气体被压缩;
③在活 塞接近上止点时,火花塞点火;
④压缩气体被点燃、 爆发,使活塞下行(气缸内空间扩大)。活塞的上 下行动作转换成曲轴的旋转动作。发动机工作时,
 ① ~ ④周而复始地进行。实际上,汽车发动机会根据行驶情况、负载情 况等变化,对火花塞点火时间进行微小的调整。有的发动机的点火时间是根据发动机的转速、 负载的变化形成的三维坐标图进行控制的。以往的 发动机进角调整有两种:·随转速增加进行进角调整的速度进角 ·随负载变化进行进角调整的真空进角
电机的进角(通电时间)
调整也很重要 电机控制也与发动机控制有相似之处。转速升 高后(换流的频率变高后),即使对绕组施加电压(换 流),绕组电流上升到目标值也需要一定的时间。也就是说,产生了时间差。因此,电机在高速旋转时,适当提前通电,就 可以确保电机在旋转到必要位置时,绕组上有与此 相对应的电流。我们将其称为电机的“进角控制”。适当进行进角调整,可以提高电机的效率。这一点 与发动机进角调整中的速度进角很相似。另一方面,在大负载状态下通电时,为了产生 大的转矩,就需要增加电流。这时,增加绕组上的 电压(或提高占空比),可以加大电流。但是,绕 组是存在感抗的。增大流过电机绕组的电流时,受到感抗的影响, 电流的实际上升是滞后的。这时,提前通电就能确 保电流大小和位置(相位)处于最合适的状态。 
能够迅速应对条件变化的矢量控制
 为了能够应对电机时时刻刻都在变化的条件, 仅仅依靠矩形波通电肯定是不够的。能够适应不断变化的条件,控制电流在最佳时 机流过电机绕组的,是以正弦波通电为基础的“矢 量控制”。这种电机控制方法,已成为市售 EV 的 标准驱动方式。矢量控制,为了实现让电机绕组在 最佳时机通电,需要通过绕组的感应电压(空载感 应电势)计算出绕组和电磁铁(定子和转子)的位置, 再通过复杂的计算找到合适的通电时间。
  进角调整是怎样实现的? 
如果可以精准地进行进角调整,电机的效率和 转速就能够得到提高。那么,进角调整多少才合适 呢?由于不同的电机需要的进角不同,所以只有通 过反复试验才知道。进角调整,一般通过改变软件上的时间设置来 实现。另外,“CQ 无刷电机和逆变器套件”在定子的 U、V、W 三相绕组正上方设置了磁敏感器。
这里的 磁敏感器不是用来检测电机绕组的磁性的,而是用 来检测通过其上方的转子的磁极(N 极、S 极)的。进角调整就是将这 3 个磁敏感器朝着旋转方向 的反(进角)方向移动 。先让电机空载运行,同时 观察电源的电流变化。观察到的电流值为最小值时, 电机达到最高效率点。这只是电机空载时的状况,加上负载后,最小 电流值出现的时间比电机空载时要晚一些。这时, 让其向进角侧移动(实际上就是一点点)。
文章来源:EV编辑部  EV技研
点击次数:  更新时间:2020-02-03