直流无刷电机性能分析

直流无刷电机性能分析
一、无刷直流电机的意义
人们对环境和能源的日益关注，推动了电动汽车的发展，加速了世界强国在电动汽车领域的竞争。

在目前电池技术制约下，如何提高电能效率、提高电动汽车续驶历程，是电动汽车行业关注的焦点。

无刷直流电机启动转矩大、调速性能好、效率高、能量密度大、过载能力强、性能稳定、安全可靠，是电动汽车的理想驱动电机。

无刷直流电机的产业化生产，对提高电动汽车性能、促进电动汽车行业发展、使我国电动汽车行业赶超世界先进水平具有积极的促进作用。

二、无刷直流电机的先进性
电动车辆主要用于城市交通，车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、制动时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要，是衡量电动车辆电机的重要指标。

目前电动车辆还没有专用电机可选，只能选用通用电机，如直流串激电机、直流并激电机、永磁直流电机、异步电机等。

通用电机的负载特性为恒负载特性，而电动车辆特性为变负载特性，两者特性不匹配，影响了电机出力，进而影响了电动车辆性能。

另外，通用电机的最大效率点均设计在额定点附近，当负载偏离额定点时，电机效率急剧下降，影响了车辆的续驶里程。

开关磁阻电机在低速时具有较大的转矩，但效率偏低，永磁同步电机具有较高的效率，但低速时转矩无法提升。

只有无刷直流电机具备了以上电机的所有优点，它具有串激直流电机的低速转矩提升功能、并激直流电机的调速性能、永磁同步电机的高效特性和接近异步电机的可靠性，非常适合电动车辆的需要。

现就各种电机技术指标汇总见表1。

表1 各种电机技术指标汇总
电机
性能直流串激电机支流并激电机永磁直流电机鼠笼异步电机磁阻
开关电机永磁同步电机无刷直流电机
起动性能5 4 4 2 3 4 5
低速性能5 4 4 3 3 4 5
低速时效率3 3 4 3 4 5 5
平均效率3 3 4 4 3 5 5
能量密度2 2 3 4 4 5 5
过载能力4 4 4 4 3 5 5
再生能力3 5 4 3 2 5 5
可靠性2 2 2 5 5 4 4
制造成本4 4 4 5 5 4 4
控制器成本5 5 5 4 4 4 4
合计36 36 38 37 37 45 47
从上表看无刷直流电机是最为理想的电动车辆驱动电机，与其它电机相比其主要优点为：①电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。

②速度范围宽，电机可以在任何转速下全功率运行，这是无刷直流电机的独有特性，这样可以省去汽车的机械变速器，改变内燃车辆的传动模式，进一步提高整车效率。

③电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的，该种电机可比永磁直流电动机提高效率10％以上，比Y系列电动机提高效率20％以上。

④过载能力强，这种电机比Y系
列电动机可提高过载能力20％以上，满足车辆的突起堵转需要。

⑤再生制动效果好，因电机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态，给电池充电。

⑥电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。

⑦电机无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。

⑧电机控制系统比异步电机简单。

无刷直流电机是在永磁同步电机的基础上发展而来，它比永磁同步电机具有更高的效率和更大的低速转矩，两种电机的外特性见图1。

三、无刷直流电机的现状
电机分为直流电机、同步电机和异步电机，在我国三种电机的生产分工较为明确，无刷直流电机是三种电机的集合，是电机发展的高层次产品，代表电机的发展方向。

目前无刷直流电机研究刚刚起步，主要集中在高等学校，如浙江大学、北京航空航天大学、上海交通大学等，均在进行1.5kw以下样机的研究试验，清华大学正在做15KW电机的样机实验，中科院正在做28 KW电机的样机实验。

在企业中生产高性能、大容量这种电机的厂家还没有，只有生产结构简单、性能较低、容量在0.2KW以下、用于电动自行车电机的厂家。

国际发达国家对无刷直流电机的研制与中国大体相当，但像美国、日本在无刷直流电机控制方面比中国先进。