汽車構(gòu)造的解析
——電機(jī)

李京鑫 史彥

1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 安徽省馬鞍山市 243031 2.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 安徽省馬鞍山市 243031

1 引言

新能源汽車的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)汽車能源供給的規(guī)則，用電機(jī)將傳統(tǒng)汽車中的動(dòng)力來(lái)源發(fā)動(dòng)機(jī)替換，根據(jù)能量守恒的定律，將電機(jī)產(chǎn)生的汽車電能轉(zhuǎn)化成讓輪胎滾動(dòng)的機(jī)械動(dòng)能，使得新能源汽車可以正常的行駛。電機(jī)對(duì)于新能源汽車來(lái)說是非常重要的一個(gè)組成部分，新能源汽車運(yùn)行所需要的所有能量都來(lái)源于電機(jī)。電機(jī)的樣式十分繁多，我們新能源汽車比較常用的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。

2 新能源汽車中驅(qū)動(dòng)電機(jī)簡(jiǎn)介

圖1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為三相永磁同步電機(jī)，用作純電動(dòng)轎車的驅(qū)動(dòng)，安裝于前艙位置。此類電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)。

在控制器的控制下，電機(jī)能在寬廣的速度范圍內(nèi)工作，以滿足純電動(dòng)轎車的運(yùn)行工況：

電機(jī)內(nèi)置旋轉(zhuǎn)變壓器一個(gè)，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的矢量控制；電機(jī)冷卻方式為液冷結(jié)構(gòu)。

表1

圖2

電機(jī)控制器的主要功能有：

1控制電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)模式或發(fā)電模式；

2電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩控制；

3具有過溫、過流、過壓等保護(hù)功能；

4具有CAN通訊和診斷功能；

表2

3 新能源汽車的電機(jī)功能需要

新能源汽車的具體電機(jī)在正常啟用和行駛的前提下，還要全面考量司機(jī)在駕駛新能源汽車時(shí)是否舒適，幫助新能源汽車更好地適應(yīng)駕駛環(huán)境狀況，達(dá)到新能源汽車在長(zhǎng)期駕駛的情況下只需要充一次電的效果。所以，新能源汽車在電機(jī)在的相關(guān)功能方面有著比較特殊的要求，下面進(jìn)行詳細(xì)闡述：

第一，新能源汽車的具體電機(jī)有著更高層次的效率方面標(biāo)準(zhǔn)和功率密度方面的標(biāo)準(zhǔn)。在新能源汽車中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍比較大，轉(zhuǎn)矩范圍中具備較高效率，由此一來(lái)，功率方面的損耗程度便會(huì)大大降低，在一次性充電之后，新能源汽車的持續(xù)性行駛的總距離會(huì)有一個(gè)較大幅度的提升。

第二，對(duì)于新能源汽車來(lái)說，電機(jī)在調(diào)節(jié)速度時(shí)達(dá)到的范圍需要比較廣。在新能源汽車中，恒定轉(zhuǎn)矩及恒定功率是具體電機(jī)所必備的，確保新能源汽車在行駛速度較慢的情況下也能保證較高的恒定轉(zhuǎn)矩，如此一來(lái)，新能源汽車可以在負(fù)重情況下開往上坡路，保證新能源汽車在使用時(shí)的速度能快速提高，維持新能源汽車的啟用效率；當(dāng)新能源汽車在行駛速度較快時(shí)，對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率可以較穩(wěn)定的從外部送往內(nèi)部，速度的調(diào)適有更多選擇，這時(shí)，在比較平整的路面上，新能源汽車可以保持高速行駛，新能源汽車還能夠快速超車。

第三，保證新能源汽車正常運(yùn)行的電機(jī)的安全性較高。在任何情況下，電機(jī)都要保障新能源汽車的行駛的可靠性，均需保證新能源汽車運(yùn)行安全比較好，并且具有抵抗沖擊與振動(dòng)的功能。

第四，保持新能源汽車具體電機(jī)相關(guān)瞬時(shí)功率比較高，維持過載能力相對(duì)較大。需維持新能源汽車存在多倍過載功能，可以使新能源汽車能夠較快提高運(yùn)行速度，并能夠滿足較高坡度運(yùn)行要求。

第五，為了提升新能源汽車的使用舒適度，新能源汽車的空間利用率需要不斷提高，為了讓新能源汽車轉(zhuǎn)動(dòng)的效率更高，新能源汽車的重量應(yīng)減輕。由此，電機(jī)的外殼應(yīng)選擇材質(zhì)較輕的金屬制作，電機(jī)的質(zhì)量就會(huì)比較小，并減少電機(jī)所占的空間。

第六，在符合新能源汽車對(duì)電機(jī)相關(guān)需求的前提下，新能源汽車的電機(jī)的電壓應(yīng)越高越好，盡量減少把直流電能轉(zhuǎn)變成定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的轉(zhuǎn)換器的成本，與此同時(shí)，要做好安全保障，設(shè)置高電壓保護(hù)裝置，提升電機(jī)使用的安全性。

第七，對(duì)于新能源汽車來(lái)說，對(duì)應(yīng)電機(jī)需要提高制動(dòng)再生效率，新能源的制動(dòng)狀況要在低速行駛的情況下反映出來(lái)，并將動(dòng)力能源收集至電池中，使得新能源汽車可以恰如其分地利用動(dòng)力能源，達(dá)到環(huán)保的要求。

第八，新能源汽車的電機(jī)可以較好地應(yīng)對(duì)各種各樣的運(yùn)行處境。對(duì)應(yīng)新能源汽車運(yùn)行的電機(jī)需要有較高的耐熱和耐潮性能，以便在行駛時(shí)可以在較差的環(huán)境下正常工作，更好地應(yīng)對(duì)不同的運(yùn)行處境。

第九，對(duì)應(yīng)新能源汽車運(yùn)行時(shí)的電機(jī)還需要其他功能。1.電機(jī)可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)；2.電機(jī)在運(yùn)用和修繕方面要有可操作性，一是簡(jiǎn)單易操作，二是維護(hù)的成本較低；3.電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持較低的音量，不產(chǎn)生噪音；4.電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)潔不復(fù)雜。

4 新能源汽車的電機(jī)應(yīng)用情況

新能源汽車改變了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法，它的能源采用了電力，取代了曾經(jīng)的燃油，能夠增加可再生能源的使用，達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的效果。內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)新能源汽車靠的是將熱能更換成機(jī)械能，無(wú)法順應(yīng)新能源汽車各個(gè)零件的需求，為了改變用燃油驅(qū)動(dòng)汽車的方法，新能源汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)要改燃油發(fā)動(dòng)為電機(jī)。電機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)對(duì)新能源汽車進(jìn)行發(fā)動(dòng)，電機(jī)可順利利用機(jī)械能發(fā)動(dòng)新能源汽車。這樣新能源汽車工作效能更大，滿足保護(hù)生態(tài)、節(jié)省資源的目的。

隨著科技的發(fā)展，新能源汽車改良了部件的操作方法，有手動(dòng)操作方法改良為自動(dòng)操作方法。這種操作方法的改良體現(xiàn)在一下幾點(diǎn)：能夠運(yùn)用電機(jī)收起和操控新能源汽車的后視鏡；能夠用電機(jī)操控新能源汽車的雨刷、閉鎖系統(tǒng)；能夠運(yùn)用電機(jī)上升或落下新能源汽車的窗戶。

第一，將電機(jī)應(yīng)用于新能源汽車的后視鏡操作系統(tǒng)中，可將手動(dòng)操控方法改善為自動(dòng)操作方法。電機(jī)可以利用電能，操控新能源汽車的后視鏡方向，這樣操縱后視鏡的方法更加方便且安全，新能源汽車的司機(jī)一方面可以將精力集中在駕駛上，不用手動(dòng)調(diào)節(jié)后視鏡，另一方面能迅速了解后行汽車的情況，這就增加了行車的安全性，避免交通事故的發(fā)生。

第二，可將電機(jī)應(yīng)用于新能源汽車的雨刷和閉鎖系統(tǒng)中。在新能源汽車行駛的過程中，一旦有人將無(wú)意中將車門打開，會(huì)造成極大的安全隱患。針對(duì)這種隱患，閉鎖設(shè)置可讓司機(jī)操控車內(nèi)所有的車門，使其開啟或關(guān)閉。閉鎖系統(tǒng)大大減少了因車門意外開啟而造成的交通事故的發(fā)生率，降低了車輛行駛的安全隱患。電機(jī)為閉鎖設(shè)置提供動(dòng)力支持，是新能源汽車平穩(wěn)安全運(yùn)行的重要保護(hù)裝置。

第三，可將電機(jī)應(yīng)用于新能源汽車的窗戶玻璃操縱系統(tǒng)中。汽車的窗戶玻璃曾經(jīng)采用手動(dòng)控制的方法，這多少會(huì)分散汽車司機(jī)的精力，增加駕駛的危險(xiǎn)性。而電機(jī)和減速器可以改善這種狀況，實(shí)現(xiàn)新能源汽車窗戶玻璃的自動(dòng)上升和落下。

新能源汽車底盤的電機(jī)應(yīng)用主要包括以下方面，一，將電機(jī)運(yùn)用于助力轉(zhuǎn)向；二，將電機(jī)應(yīng)用于避免車輪抱死。

汽車依靠電力進(jìn)行助力轉(zhuǎn)向。傳統(tǒng)的汽車依靠蓄電池的電力完成助力轉(zhuǎn)向，這種方式的供能相對(duì)不穩(wěn)定，需要不斷更換電池，一旦電力耗盡，就會(huì)給駕駛者帶來(lái)不必要的麻煩。而新能源汽車可利用電機(jī)為助力轉(zhuǎn)向提供能源，根據(jù)電機(jī)電力的大小和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，新能源汽車可自行調(diào)整轉(zhuǎn)向，并選擇轉(zhuǎn)向的速率。

車輪抱死是制動(dòng)器將輪胎夾緊，輪胎對(duì)于制動(dòng)器沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，輪胎相對(duì)地面滑動(dòng)的一種現(xiàn)象。車輪抱死會(huì)產(chǎn)生以下后果：大大增加車胎的損耗程度；增加汽車行駛的危險(xiǎn)系數(shù)，車輪一旦抱死，發(fā)生側(cè)滑、甩尾、急轉(zhuǎn)的可能性大大提高。因此，預(yù)防車輪抱死是新能源汽車運(yùn)行的重要課題。新能源汽車可利用電機(jī)預(yù)防車輪抱死，減少汽車在運(yùn)行中的危險(xiǎn)系數(shù)，具體的操作方法是將每個(gè)車輪上安裝電動(dòng)傳感器，檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，時(shí)刻把握輪胎的情況，一旦發(fā)現(xiàn)車輪抱死現(xiàn)象出現(xiàn)，會(huì)迅速反饋給司機(jī)和相對(duì)的車輛零件。

5 新能源汽車中關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

矩形波式無(wú)刷直流電機(jī)和正弦式永磁同步電機(jī)是新能源汽車中永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩種常用電機(jī)。矩形波式無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是比較穩(wěn)定，不被電磁波干擾，不產(chǎn)生換向火花，它的輸出也不易產(chǎn)生波動(dòng)，這些特點(diǎn)決定了矩形波式無(wú)刷直流電機(jī)可以使用很長(zhǎng)時(shí)間。矩形波式無(wú)刷直流電機(jī)因其高效能、高穩(wěn)定性，大多數(shù)人選擇運(yùn)用這種電機(jī)于新能源汽車中。

矩形波式無(wú)刷直流電機(jī)也包含一些缺點(diǎn)，它的制作成本比較高，因?yàn)榫匦尾ㄊ綗o(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)中的永磁體造價(jià)昂貴，整個(gè)系統(tǒng)又比較紛亂龐雜。如何簡(jiǎn)化未來(lái)的矩形波式無(wú)刷直流電機(jī)的操作系統(tǒng)，如何降低它的制作成本，就成為了相關(guān)研究者急需研究、解決的問題。

交流感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)電機(jī)一般是三相異步電機(jī)。三相異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是易于控制，內(nèi)部的具體構(gòu)造比較簡(jiǎn)潔。三相異步電機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)比較平穩(wěn)，使用時(shí)間可以維持得比較長(zhǎng)，維修和保養(yǎng)的頻率可以比較低，這就降低了使用的成本，三相異步電機(jī)的使用效果相對(duì)來(lái)說比較好，和其它類型的電機(jī)進(jìn)行比對(duì)，它的性能值和價(jià)格值比就較為合理。

三相異步電機(jī)的缺點(diǎn)是它所需要的電力比較多，儲(chǔ)蓄在新能源汽車中的電力不能完全維持三相異步電機(jī)的運(yùn)作，所以新能源汽車很難完全依賴三相異步電動(dòng)機(jī)完成長(zhǎng)途行駛。與此相應(yīng)的是，三相異步電機(jī)需要大量電力，也提升了它的使用成本。三相異步電機(jī)在應(yīng)用于新能源汽車時(shí)，應(yīng)保持平穩(wěn)的感應(yīng)電機(jī)功效，防止縮短三相異步電機(jī)的有效使用時(shí)間。

集中電機(jī)完成驅(qū)動(dòng)及將內(nèi)燃機(jī)改成電動(dòng)形式是新能源汽車中交流感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的兩種常采用的方式。 集中電機(jī)完成驅(qū)動(dòng)的成本價(jià)格比較能夠被把握，缺點(diǎn)是在生產(chǎn)方面，不易被大批量產(chǎn)出。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，新能源汽車電機(jī)功能具有多角度、全方位的需要，通過探討新能源汽車電機(jī)的具體運(yùn)用情況，我們可以得出以下結(jié)論：電機(jī)對(duì)于新能源汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、零部件、底盤來(lái)說，具有較高的實(shí)用價(jià)值；常用于新能源汽車中的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、交流感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)等；在新能源汽車中運(yùn)用電機(jī)，可以增強(qiáng)新能源汽車運(yùn)行的安全性，削減對(duì)不可再生能源的消耗，與當(dāng)今時(shí)代的環(huán)保主題不謀而合，滿足維護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求。