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  混合动力小型小型消防车的电动机选型

  电动机是混合动力汽车的驱动单元之一,电动机驱动系统包括电动机、功率电子电路及控制部分。混合动力汽车对电机驱动系统的基本要求为:

  (a) 电机驱动系统具有宽广的调速范围,有着与汽车行驶一致的动力特性。低转速时恒转矩,高转速时恒功率。最高转速越高,在同样的额定输出功率下,转速越高,电动机尺寸、重量越小。

  (b) 动态性能好—电机驱动系统要能够频繁地起动/停车、加速/减速。

  (c) 为了减少汽车的非有效载荷,要求电机驱动系统体积小、重量轻,功率密度大,在短时间内具有较高的过载能力。

  (d) 高效率—这对于电动汽车意义尤其重大。

  (e) 电气系统安全性和控制系统安全性—抗振动、耐腐蚀、低噪音;抗干扰,具有较好的电磁兼容性。

  (f) 能够四象限运行,实现正反转和再生制动。

  (g) 高电压—电压越高,电动机尺寸、重量越小,功率转换器成本越低。

  (h) 适合批量生产,价格便宜,便于维修。
混合动力小型小型消防车的电动机选型
  对电机的选用还要考虑其控制系统的特点,要求能实现双向控制,对再生制动能量可以回收。目前混合动力车上可采用的电机一般为三种形式:交流异步电机、开关磁阻电机、永磁无刷电机。

  (1)电动机的选型

  在混合动力排烟照明小型消防车的纯电动功能模式中,车辆的驱动完全依赖于电动机,可以利用电动机低速扭矩大、调速方便、超载能力强、效率高以及回馈制动的特点来驱动车辆,并实现制动能量回收。通常,使用于电动车辆的电动机外特性为:在额定转速以下,以恒扭

  矩模式工作,在额定转速以上,以恒功率工作。相应的电动机的参数选择包括:额定功率,峰值功率,额定转速,最高转速以及额定电压的选择。 电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动机,最早基本是采用了控制性能最好和成本较低的直流电动机。随着电机技术、机械制造技术、电力电子技术和自动控制技术的不断

  发展,交流电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能,在电动汽车上,这些电动机逐步取代了直流电动机。表 3-1 为现代电动汽车所采用的各种电动机的基本性能比较。目前电动汽车一般都采用交流三相感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机以及它们的控制装置。

  由于电力电子技术的飞速进步,功率电子元件以及变频器的问世,再加上一些新的控制算法的出现,滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调速技术日趋成熟,交流电机驱动系统在电动汽车中已成为主流,交流电机的效率和功率密度都较直流电机高,而且交流电机结构牢固,维护起来十分方便。

  永磁电机驱动系统有永磁无刷直流电动机和永磁同步电机,该电机效率较高、功率因素高、体积小、功率密度大,变频调速是永磁无刷同步电机的基本调速方式。其主要不足是永磁材料昂贵,制造工艺复杂,性能受温度影响较大,大功率输出困难。 开关磁阻电机驱动系统是 80 年代兴起的一种新型机电一体化驱动设备,它的钉子和转子均为凸极结构,只在定子上安装励磁绕组,转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等。因此结构十分简单、成本低、可靠性好、起动性能好、调速性能好,控制也比较简单。主要缺点为转矩脉动大、噪声大、必须使用位置检测器等。

  根据混合动力特种小型消防车的运行特点以及上表的性能对比,所选电动机应有较高的转矩/惯量比,尽可能宽的高效率区和良好的转矩转速特性。在目前所用的电动机驱动系统中,考虑到技术发展趋势和性能要求,交流感应电机的综合性能较好,尤其是峰值效率较高、转速范围较大。本文所设计的动力系统选择三相交流异步感应电机。
混合动力小型小型消防车的电动机选型
  (2) 电动机参数的设计

  在混合动力小型消防车的纯电动模式中,电动机直接驱动车轮,应该要满足汽车的功率需求。电动机的峰值功率要大于或等于驱动车辆所需的最大功率,同时要保证各部件质量总和最小,以利于提高电动机效率和减轻尺寸,降低整车成本。所以选择电动机的峰值功率时,能够满足车辆最大需求功率即可。 电动机功率不仅要满足车辆在水平道路上以最高车速匀速行驶要求,同时要满足加速性能和最大爬坡性能的要求。

  (a)  加速时功率需求

  车辆的加速性能一般用加速时间来衡量,汽车的加速时间通常包括原地起步加速时间和超车加速时间。考虑到小型消防车的使用特点,本文主要考虑纯电动模式下原地起步加速时间。电动机的峰值功率越大,整车加速时间越短,动力性越好。但随着电动机峰值功率的增加,加速时间减少越来越不明显,而且电动机峰值功率的增加也会导致整车成本的上升。因此,电动机的峰值功率只需满足该车设计的动力性能指标即可。

  (b)  爬坡时功率需求

  汽车最大爬坡度指汽车满载时在良好路面上等速行驶能爬过的最大坡度。此时,汽车驱动力除克服滚动阻力和空气阻力外的剩余驱动力全部用来克服坡度阻力,其加速度为零。所以当汽车上坡时,只有电动机提供的汽车牵引力大于滚动阻力、空气阻力和坡度阻力时,汽车才能爬上坡。电动机的峰值功率一定要满足最大爬坡度的功率要求,即满足本文设计的动力性能指标中的最大爬坡度要求。
混合动力小型小型消防车的电动机选型
  综上所述,混合动力小型消防车的电机额定功率由两方面因素决定:其一,汽车以纯电动方式行驶的最大车速;其二,电机的峰值功率具有克服最大爬坡度的能力。因此,取下面公式中较大者,最后确定电机额定功率。


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