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        東莞市上品機電設備有限公司

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        用電機轉矩和功率的再思考

        轉矩、轉速和“體格” 
        物理學中的力矩就是力, 功率就是做功的量。
        我們熟悉的“加速靠轉矩,最 高轉速要靠功率”的說法,其實是錯誤的。實際上, 加速也好,達到最高轉速也好,都由電機的功率決定。電機的功率是與  轉矩 × 轉速 成正比的。此外,電機的轉矩是它的“體格”決定的, 這一點也很重要。我們要了解電機轉矩產生的原理,就要再次回 到弗萊明左手定則: 
          F =I×B×L 
        決定轉矩的三要素:
        I(電流)、B(磁場密度)、 L(導線長度)。這樣,我們就明白:要使 F 增大, 就必須加大電機的“體格”。此外,在“電負荷與磁負荷”中,我們也講過 電機的輸出功率與    電負荷 × 磁負荷 × 轉速 
        成正比。加大電負荷,就要增加繞線空間;而加大 磁負荷,就必須增加可以產生有效磁通量的鐵心(在 磁通密度相同的條件下,必須加大磁路的橫截面積)。
        功率相同的情況下,低轉速電機的體積更大
         決定電機輸出功率的另一要素就是轉速。如前 所述,轉速、電負荷、磁負荷有著相互依存的關系。電機設計就是根據需求,對這 3 個要素進行調整。DD 電機(包括輪轂電機)的轉速與車輪的 轉速是相同的。在汽車上使用的電機,其轉速為 1000~1500r/min。對電機而言,這樣的轉速非常低。然而,要在這么低的轉速下,實現大功率輸出,就 必須增大    電負荷 × 磁負荷 由于是乘積關系,兩者都需要增大。就像前面 提到的那樣,這將直接影響電機的“體格”。也就是說, 要增大 DD 電機的輸出功率,就不得不增大它的體 積(質量)。 
        一般 EV 使用的是高轉速電機
        相反,電機的轉速越高,電負荷和磁負荷就可 以變小。也就是說,小型、輕量型電機也可以實現 大功率輸出。至此我們應該了解,為何 EV(太陽能車比賽、 節能行駛比賽等特殊用途除外)采用的都是減速機 搭配高轉速電機使用。同樣,我們也可以理解,為 何學生方程式 EV 錦標賽賽車通常不使用 DD 電機, 而采用有減速機的結構。筆者也試做了一臺照片 1 所示的電機(與減速機組成的一體式驅動單元),
        直驅轉臺
        以供大家參考。這臺電機應該也適用于學生方程式 EV 錦標賽。這不是學生方程式賽車專用電機,也可以作為 小型 EV 驅動模塊使用。其特征是雙電機左右獨立 驅動,不使用差動齒輪。另外,因其采用了左右獨立驅動結構,也可以 應用在改變左右轉矩,進行轉矩分配控制的實驗。右轉時,如果讓左側驅動輪的轉矩大于右側驅動輪 的轉矩,只需要稍微打一下方向盤,就可以輕松地 實現轉向。不管怎么說,我們應該理解電機的特性: 
        ·電機的體格決定轉矩
         ·提高電機的轉速可以增加電機功率 
         
        電機發熱的對策
         數十千瓦級電機必須冷卻
         前面我們提到,電機設計就是讓電機的轉速、 電負荷、磁負荷這 3 個要素變得平衡和合理。但做到了這些,也并不意味著我們設計出了理 想的電機。還有一個我們無法逃避的大難題,就是 電機的發熱問題(在學生方程式比賽用車相關內容 中有所提及)。這一問題與電機的效率問題稍微有 些不同。額定輸出只有幾百瓦的電機,通過提高電機效 率的設計,可以將電機發熱控制在很低的水平。如 額定功率為 300W、效率為 90% 的電機,其功率損 耗為 10%,也就是 30W。損失的這 30W 是以電機發熱的形式被消耗掉的。如果電機的發熱只有這么多, 一般是不需要冷卻的,或者讓其自然冷卻就可以了。假設我們有一臺 30kW 的電機,同樣情況下, 它會變成什么樣呢?即使電機效率同樣是 90%,這 時的熱損耗(發熱)是 3kW——相當于 3 臺 1kW 電 爐子在工作。
         冷卻從繞組開始!
         電機的損耗也有來自電機自身以外的因素。即 使我們忽略這些損耗,電機內部總是存在 3000W 熱 量而得不到冷卻,可是不行的。即使我們把電機效 率提高到 95%,它的發熱也有 1500W……這絕對是 不行的。不管是使用風冷、水冷、油冷中的哪一種方法, 總之我們要做的就是對電機,特別是對其繞組進行 冷卻。這一點,對于從事電機設計的人,肯定深有 體會。在制造這個級別的電機時,說得極端一點“只 需考慮如何處理這些熱量就可以了”。電機發熱這 一問題的解決是個很大的難題。從電機發熱的來源 來看,繞組產生的熱量是最多的。所以,對電機冷 卻的首選對象就是繞組。
        冷卻繞組,究竟用風冷還是水冷?
         給繞組降溫,風冷是很有效的。但 EV 用電機 要求防塵、防水,多數情況下都采用全封閉結構。要給封閉的電機降溫,就要求電機具有可以讓空氣 循環的復雜結構。為此,市售的用于 EV 的電機所采用的都是水 冷結構。水冷也需要較復雜的系統,如水冷的水路、散 熱器、水(油)循環泵等輔助裝置。而風冷,只要 在轉子上安裝一個風扇就可以自己散熱,這樣的自 冷結構可以簡單地實現散熱。嚴格意義上講,水冷方式并不能直接對繞組(發 熱源)進行冷卻,而是通過繞組纏繞的鐵心進行間 接冷卻。說到這里,這與汽車發動機開發初期的情況很 相近。很久以前,本田在大型摩托車發動機冷卻上 執著于風冷是出了名的:“即使通過水的循環帶走 了發動機(氣缸)產生熱量,但最終還是需要空氣 來吸收這些熱量。這樣的話,還不如通過風冷直接 帶走這些熱量呢。”這也不無道理。隨著技術、材料的快速發展,電機今后也會得 到進一步進化。比如,如果我們開發出與常溫超導 體相近的材料,即使是再大的電機,也只要自然冷 卻就可以了。 
         
        電機通電方式的選擇
         理想的是正弦波通電,但矩形波也不是不可以
         接下來,我們考察電機的通電方式。EV 節能行 駛比賽用車大多使用 100W 左右的電機,太陽能車 使用 1000~2000W 的電機,這些電機適合采用“120° 矩形波通電”。從電機的驅動原理來看,使用正弦 波波形通電才是最佳的。但是,這樣控制器的電路 就變得復雜了。另外,這些比賽都以能量消耗最小 化為目的,復雜的控制器自身功耗比采用矩形波通 電時大很多。在節能行駛比賽中,有些賽車只需使用 50~70W 電機就可以行駛,電子電路(控制器)的功耗會對 比賽結果產生很大的影響。從這個意義上講,矩形 波通電方式很適合這類比賽(如果有低功耗正弦波 電路就另當別論了)。 
         提高 PWM 占空比 
        從電機的效率來看,矩形波通電還有另一個優 點。一般這類比賽使用的電機都通過 PWM 控制來調 節電機輸出功率。采用 PWM 控制就會發生開關損耗, 這也是降低電機效率的一個因素。因此,對這類比 賽(特別是平坦賽道上的勻速比賽)的電機進行速 度設定時,最好盡量提高 PWM 占空比。以 100% 的 占空比行駛是最理想的。這時,開關只要按照換流的頻率進行切換就可 以了。但是,正弦波通電時,需要生成正弦波,(通 過載波頻率)開關總是不斷進行的,而且要將 PWM 占空比切分為很小的等份。這樣產生的正弦波電壓, 再加到繞組上,從原理上看,產生的開關損耗增多。這些損耗對輸出功率在幾十千瓦或幾千瓦的賽車來 說,是不可忽視的。
         處理大功率時需要正弦波通電
         剛才講了電機的通電方式。它完全是為 EV 節 能行駛比賽這一特定條件下使用的電機的控制考慮 的,如果用在學生方程式 EV 錦標賽或一般 EV 電機 上,情況就完全不同了。首先,電機的輸出功率增大時,控制器開關損 耗的影響相對變小。相反,采用矩形波通電方式的 情況下,在波形上升沿 / 下降沿,電壓會被急劇地 施加到繞組上或從繞組切斷。換流時,電機的電流 波形會發生振蕩(產生很大的干擾),由此產生很 大的損耗。另外,如果沒有節能行駛比賽的那些限制條件 (環形賽道行駛或平道巡航),這種通電方式適合 各種形式的行駛。起動、加速、減速、上坡、下坡、 乘坐人數的變化、裝載貨物的多少等,都會引起電 機負載的變化。在這種情況下,單純的矩形波通電 不能有效地發揮其性能,應該采用正弦波通電方式。 
         
        電機的進角調整
          你了解發動機的進角調整嗎? 
        發動機控制中使用的“進角調整”,大家聽說 過嗎?汽油發動機的工作原理:
        ①氣缸活塞下行, 氣缸內空間擴大,吸入汽化燃料(汽油)和空氣; 
        ②活塞上行,使氣缸內的混合氣體被壓縮;
        ③在活 塞接近上止點時,火花塞點火;
        ④壓縮氣體被點燃、 爆發,使活塞下行(氣缸內空間擴大)?;钊纳?下行動作轉換成曲軸的旋轉動作。發動機工作時,
         ① ~ ④周而復始地進行。實際上,汽車發動機會根據行駛情況、負載情 況等變化,對火花塞點火時間進行微小的調整。有的發動機的點火時間是根據發動機的轉速、 負載的變化形成的三維坐標圖進行控制的。以往的 發動機進角調整有兩種:·隨轉速增加進行進角調整的速度進角 ·隨負載變化進行進角調整的真空進角
        電機的進角(通電時間)
        調整也很重要 電機控制也與發動機控制有相似之處。轉速升 高后(換流的頻率變高后),即使對繞組施加電壓(換 流),繞組電流上升到目標值也需要一定的時間。也就是說,產生了時間差。因此,電機在高速旋轉時,適當提前通電,就 可以確保電機在旋轉到必要位置時,繞組上有與此 相對應的電流。我們將其稱為電機的“進角控制”。適當進行進角調整,可以提高電機的效率。這一點 與發動機進角調整中的速度進角很相似。另一方面,在大負載狀態下通電時,為了產生 大的轉矩,就需要增加電流。這時,增加繞組上的 電壓(或提高占空比),可以加大電流。但是,繞 組是存在感抗的。增大流過電機繞組的電流時,受到感抗的影響, 電流的實際上升是滯后的。這時,提前通電就能確 保電流大小和位置(相位)處于最合適的狀態。 
        能夠迅速應對條件變化的矢量控制
         為了能夠應對電機時時刻刻都在變化的條件, 僅僅依靠矩形波通電肯定是不夠的。能夠適應不斷變化的條件,控制電流在最佳時 機流過電機繞組的,是以正弦波通電為基礎的“矢 量控制”。這種電機控制方法,已成為市售 EV 的 標準驅動方式。矢量控制,為了實現讓電機繞組在 最佳時機通電,需要通過繞組的感應電壓(空載感 應電勢)計算出繞組和電磁鐵(定子和轉子)的位置, 再通過復雜的計算找到合適的通電時間。
          進角調整是怎樣實現的? 
        如果可以精準地進行進角調整,電機的效率和 轉速就能夠得到提高。那么,進角調整多少才合適 呢?由于不同的電機需要的進角不同,所以只有通 過反復試驗才知道。進角調整,一般通過改變軟件上的時間設置來 實現。另外,“CQ 無刷電機和逆變器套件”在定子的 U、V、W 三相繞組正上方設置了磁敏感器。
        這里的 磁敏感器不是用來檢測電機繞組的磁性的,而是用 來檢測通過其上方的轉子的磁極(N 極、S 極)的。進角調整就是將這 3 個磁敏感器朝著旋轉方向 的反(進角)方向移動 。先讓電機空載運行,同時 觀察電源的電流變化。觀察到的電流值為最小值時, 電機達到最高效率點。這只是電機空載時的狀況,加上負載后,最小 電流值出現的時間比電機空載時要晚一些。這時, 讓其向進角側移動(實際上就是一點點)。
        文章來源:EV編輯部  EV技研
        點擊次數:  更新時間:2020-02-03
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