基于電動汽車驅動系統仿真的BDCM設計分析*

耿紀輝 ， 高聯學 ， 陳圣瑋

（濱州學院電氣工程學院，山東 濱州 256600）

0 引言

直流電動機由于企業采用電刷機械設計方式進行換向，不可避免地存在由機械摩擦問題引起的火花、噪聲、無線電干擾以及壽命短等弊端，使其應用研究范圍受到了極大限制。隨著電子傳感器技術的發展，電子換向代替機械換向，利用安裝驅動電路來進行換向，再加上高性能永磁材料的開發，采用PWM調速，使調速重新獲得了新的活力[1]。本研究中的電機保留了直流電動機優良的控制特性，克服了其缺點，具有調速范圍寬、調速性能平穩、起動轉矩大、控制容易、運行可靠、使用壽命長、效率高、免維護等優點。

它與永磁有刷直流電動機技術相比，采用一種“里翻外”結構，即把電樞繞組安裝在定子上，使其電損耗問題產生的熱量更容易不經過機殼向外進行發散，且便于工作溫度檢控；而轉子通過采用基于永磁激勵，無電勵磁繞組，免去了向轉子通電需經電刷的方式，所以對于損耗和發熱時間也就影響很小。位置傳感器檢測轉子永磁體的極性并控制定子電樞繞組的帶電，定子電樞繞組是驅動和控制電機的機械電子結構。

1 BDCM基本設計要求

1）體積小，重量輕。由于需要釋放受限空間和減少車輛的整體質量，電機要求高密度，而直流電機的電樞繞組一般使用的銅較多，這使得直流電機的微型化更難實現，但是它可以通過采用良好的冷卻方法來實現，如低損耗的高性能磁鋼、高磁導率、高速和超短端繞組技術，使電機達到高密度，從而確保小型化和輕量化[2]。

2）高效率，低損耗。電動汽車發展是以電池為電源，一次充電希望續航里程盡量遠。此外，還需要通過抑制電機工作溫度的上升，減小損耗。近年來，隨著對稀土永磁體（鈷、釹、硼等）的研究，發現它們具有較高的矯頑力和磁能積，可以明顯減輕電機的重量。它不僅減小了電機的體積，而且達到了高效節能的目的，是汽車電機用低磁能體積鐵氧體磁鋼的良好替代品。

3）對環境的適應性。由于車輛的振動和機艙的高溫環境，以及室外環境的振動和沖擊大、粉塵多、濕度變化大，車用電動機在惡劣的環境條件下工作，直流電動機在電動車上使用時的環境與在室外使用時基本相同，有必要解決設計中的粉塵和潮氣進入電動機問題，以避免位置感應靈敏度的降低，影響電動機的換向。為了便于散熱，要多設計一些電樞槽，并且還需將檢查窺視窗口系統設計得大一些，以便于定期組織檢查和維護等。

4）防震。由于電動車的電動機電樞較大，因此在不平路面行駛的情況下，車輛會產生震動，從而縮短繞組絕緣和軸承壽命，降低軸承的潤滑程度，振動力會進一步促進絕緣間隙的擴大，使外界的灰塵和潮氣更容易進入電動機，導致絕緣電阻降低、漏電流增大等[3]。

5）抗負荷波動。電動汽車會受制動、減速、加速等影響，行駛狀態經常發生變化，電動汽車不可避免地要在軸承功率最大的情況下工作，從而引起電流、電壓的劇烈波動。這就要求具有良好的加速性能、較小的轉矩脈動和較寬的額定工作范圍。由于永磁無刷直流電機沒有電刷，所以不會產生電火花和電刷的磨損加劇，但也需要對線圈進行優化設計。電動車行駛時，電機輸出距離相對較低，在高速旋轉和高輸出功率的情況下，一般來說，需要在效率較高的額定條件下運行，所以轉子直徑應設計得較小，軸設計得較長，這也很容易適應高速旋轉。在直流電機高速旋轉的情況下，換向器部分承受的機械應力較大。為了解決這個問題，在大型電動汽車的操縱傳動系統中，大多數都配備了變速器來提高起動轉矩。

6）效率優化控制。在確保信息系統具有一個高性能轉矩特性的前提下，電機的勵磁除了可以受轉速控制外，還能與電動汽車的運行環境工況聯系結合起來，使得在輕載狀態下，也能降低電機的勵磁電流，降低磁鏈損耗，提高電動機的運行效率，實現通過電動機工作效率最優化。另外，當電動汽車處于制動狀態時，電機反饋制動可以提高車輛的行駛里程。只有當回饋制動的能量大于勵磁所需的能量時，電動機處于發電制動狀態，給蓄電池充電。所以可以提高輕載時的效率，通過降低一定的勵磁能量，提高汽車制動系統能量資源利用率，進一步提高車輛的續駛里程。

2 電動汽車驅動系統的仿真

電動汽車技術驅動電機的機械產品特性圖如圖1所示，機械結構特性可以分成兩個不同區域：恒轉矩區和恒功率區。在恒轉矩區低于基速時，驅動電機輸出恒轉矩；在基速以上為恒功率區，驅動電機輸出恒功率。在恒功率區，通過弱磁控制電機達到最高轉速，也稱弱磁區。轉速控制范圍要覆蓋整個恒轉矩區和恒功率區。在轉速范圍內，需要有快速的轉矩響應特性。永磁無刷直流電動機轉矩密度高，但在恒功率區難以高速運行，限制了其最大轉速范圍[4]。從電動汽車的行駛工況分析可以看出，驅動控制電機不只工作在額定點，因此，要求進行電機在整個轉矩轉速特性研究區內都要保持高效率，這對電機結構設計來說很困難。

圖1 驅動電機的一般機械特性圖

圖2為一臺具有不同轉速比（驅動電機最高工作轉速與額定轉速的比值x，x=2，4，6）的60 kW電機的轉速轉矩特性曲線。可見，該電機具有大面積的恒功率，其最大轉矩可以顯著提高，加速度和爬坡性能可以提高，傳動可以簡化。但是，每種結構型式的電機都有其固有的最高轉速比的限值。而永磁電機因為具有永磁體，磁場難以衰減，所以具有較小的轉速比（x<2）[5]。

圖2 具有轉速比為2、4、6的60 kW電機的轉速轉矩特性曲線

3 BDCM設計

1）電機本體。定子和轉子兩部分，利用定子鐵芯硅鋼片疊加以減少損失，對硅鋼片表面進行一定程度的絕緣處理，以減少渦流損耗，槽的數量根據永磁體的極性對數和控制電路的相數來選擇。轉子由永磁體、磁鐵和支承部件組成。本研究所述轉子的導電磁鐵通常由電工純鐵或硅鋼制成。

2）轉子位置傳感器。轉子的位置信息傳感器的作用是測量某一時刻定轉子磁極的位置，向轉子換向器提供一個更加正確的信號。定子和轉子是轉子位置傳感器的兩部分。將轉子施加在電機本體的磁極上，以檢測轉子的位置。位置傳感器的功能是在電子整流電路中精確控制電源開關裝置的開關，以檢測轉子極的位置信號[6]。之后通過轉子位置的變化去控制電樞繞組里面的電流按照一定的順序去控制轉向，轉子的位置傳感器具有多種多樣形式，有光電式的傳感器、接近開關式的傳感器技術以及編碼式的傳感器等等，一般都是采用輸出功率大且性能比較穩定的磁敏式的位置傳感器。

3）轉子換向電路。無刷直流電機的電子換向電路由電源開關裝置和邏輯控制電路兩部分組成。功率開關裝置控制電動機定子繞組的開通順序和開通時間，將直流電源中的電能以一定的方式分配給多個不同的定子繞組，使電動機始終產生轉矩，然后通過控制器與轉子位置傳感器的相互配合，實現電子換向與機械換向相似。

4 結語

直流無刷電動機具有節能、環境友善、舒適、耐用、結構緊湊、操作方便、運行可靠、維護簡單等優點。直流無刷電動機作為一種新型電機，可采用圓柱徑向磁場結構或圓盤軸向磁場結構，具有響應快、控制精度高、抗干擾能力強等特點，可滿足電動汽車驅動的要求。