轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和“體格” 

物理學(xué)中的力矩就是力， 功率就是做功的量。

我們熟悉的“加速靠轉(zhuǎn)矩，最 高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速也好，都由電機的功率決定。電機的功率是與  轉(zhuǎn)矩 × 轉(zhuǎn)速 成正比的。此外，電機的轉(zhuǎn)矩是它的“體格”決定的， 這一點也很重要。我們要了解電機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理，就要再次回 到弗萊明左手定則： 

  F =I×B×L 

決定轉(zhuǎn)矩的三要素：

I（電流）、B（磁場密度）、 L（導(dǎo)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)速電機的體積更大

 決定電機輸出功率的另一要素就是轉(zhuǎn)速。如前 所述，轉(zhuǎn)速、電負荷、磁負荷有著相互依存的關(guān)系。電機設(shè)計就是根據(jù)需求，對這 3 個要素進行調(diào)整。DD 電機（包括輪轂電機）的轉(zhuǎn)速與車輪的 轉(zhuǎn)速是相同的。在汽車上使用的電機，其轉(zhuǎn)速為 1000~1500r/min。對電機而言，這樣的轉(zhuǎn)速非常低。然而，要在這么低的轉(zhuǎn)速下，實現(xiàn)大功率輸出，就 必須增大    電負荷 × 磁負荷 由于是乘積關(guān)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(zhì)量）。 

一般 EV 使用的是高轉(zhuǎn)速電機

相反，電機的轉(zhuǎn)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(xiàn) 大功率輸出。至此我們應(yīng)該了解，為何 EV（太陽能車比賽、 節(jié)能行駛比賽等特殊用途除外）采用的都是減速機 搭配高轉(zhuǎn)速電機使用。同樣，我們也可以理解，為 何學(xué)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(jié)構(gòu)。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(qū)動單元），

以供大家參考。這臺電機應(yīng)該也適用于學(xué)生方程式 EV 錦標賽。這不是學(xué)生方程式賽車專用電機，也可以作為 小型 EV 驅(qū)動模塊使用。其特征是雙電機左右獨立 驅(qū)動，不使用差動齒輪。另外，因其采用了左右獨立驅(qū)動結(jié)構(gòu)，也可以 應(yīng)用在改變左右轉(zhuǎn)矩，進行轉(zhuǎn)矩分配控制的實驗。右轉(zhuǎn)時，如果讓左側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩大于右側(cè)驅(qū)動輪 的轉(zhuǎn)矩，只需要稍微打一下方向盤，就可以輕松地 實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。不管怎么說，我們應(yīng)該理解電機的特性： 

·電機的體格決定轉(zhuǎn)矩

 ·提高電機的轉(zhuǎn)速可以增加電機功率 

 

電機發(fā)熱的對策

 數(shù)十千瓦級電機必須冷卻

 前面我們提到，電機設(shè)計就是讓電機的轉(zhuǎn)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(shè)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(fā)熱問題（在學(xué)生方程式比賽用車相關(guān)內(nèi)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(shè)計，可以將電機發(fā)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(fā)熱的形式被消耗掉的。如果電機的發(fā)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(shè)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(fā)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(nèi)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(fā)熱也有 1500W……這絕對是 不行的。不管是使用風(fēng)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(shè)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(fā)熱這 一問題的解決是個很大的難題。從電機發(fā)熱的來源 來看，繞組產(chǎn)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(fēng)冷還是水冷？

 給繞組降溫，風(fēng)冷是很有效的。但 EV 用電機 要求防塵、防水，多數(shù)情況下都采用全封閉結(jié)構(gòu)。要給封閉的電機降溫，就要求電機具有可以讓空氣 循環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。為此，市售的用于 EV 的電機所采用的都是水 冷結(jié)構(gòu)。水冷也需要較復(fù)雜的系統(tǒng)，如水冷的水路、散 熱器、水（油）循環(huán)泵等輔助裝置。而風(fēng)冷，只要 在轉(zhuǎn)子上安裝一個風(fēng)扇就可以自己散熱，這樣的自 冷結(jié)構(gòu)可以簡單地實現(xiàn)散熱。嚴格意義上講，水冷方式并不能直接對繞組（發(fā) 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(fā)動機開發(fā)初期的情況很 相近。很久以前，本田在大型摩托車發(fā)動機冷卻上 執(zhí)著于風(fēng)冷是出了名的：“即使通過水的循環(huán)帶走 了發(fā)動機（氣缸）產(chǎn)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(fēng)冷直接 帶走這些熱量呢。”這也不無道理。隨著技術(shù)、材料的快速發(fā)展，電機今后也會得 到進一步進化。比如，如果我們開發(fā)出與常溫超導(dǎo) 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(jié)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(qū)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(fù)雜了。另外，這些比賽都以能量消耗最小 化為目的，復(fù)雜的控制器自身功耗比采用矩形波通 電時大很多。在節(jié)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(jié)果產(chǎn)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(yōu) 點。一般這類比賽使用的電機都通過 PWM 控制來調(diào) 節(jié)電機輸出功率。采用 PWM 控制就會發(fā)生開關(guān)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(shè)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(guān)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(guān)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(chǎn)生的正弦波電壓， 再加到繞組上，從原理上看，產(chǎn)生的開關(guān)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(jié) 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(xué)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(guān)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(fā)生振蕩（產(chǎn)生很大的干擾），由此產(chǎn)生很 大的損耗。另外，如果沒有節(jié)能行駛比賽的那些限制條件 （環(huán)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(shù)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(fā)揮其性能，應(yīng)該采用正弦波通電方式。 

 

電機的進角調(diào)整

  你了解發(fā)動機的進角調(diào)整嗎？ 

發(fā)動機控制中使用的“進角調(diào)整”，大家聽說 過嗎？汽油發(fā)動機的工作原理：

①氣缸活塞下行， 氣缸內(nèi)空間擴大，吸入汽化燃料（汽油）和空氣； 

②活塞上行，使氣缸內(nèi)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(fā)，使活塞下行（氣缸內(nèi)空間擴大）?；钊纳?下行動作轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)動作。發(fā)動機工作時，

 ① ~ ④周而復(fù)始地進行。實際上，汽車發(fā)動機會根據(jù)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(diào)整。有的發(fā)動機的點火時間是根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、 負載的變化形成的三維坐標圖進行控制的。以往的 發(fā)動機進角調(diào)整有兩種：·隨轉(zhuǎn)速增加進行進角調(diào)整的速度進角 ·隨負載變化進行進角調(diào)整的真空進角

電機的進角（通電時間）

調(diào)整也很重要 電機控制也與發(fā)動機控制有相似之處。轉(zhuǎn)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(chǎn)生了時間差。因此，電機在高速旋轉(zhuǎn)時，適當提前通電，就 可以確保電機在旋轉(zhuǎn)到必要位置時，繞組上有與此 相對應(yīng)的電流。我們將其稱為電機的“進角控制”。適當進行進角調(diào)整，可以提高電機的效率。這一點 與發(fā)動機進角調(diào)整中的速度進角很相似。另一方面，在大負載狀態(tài)下通電時，為了產(chǎn)生 大的轉(zhuǎn)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(tài)。 

能夠迅速應(yīng)對條件變化的矢量控制

 為了能夠應(yīng)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(yīng)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(chǔ)的“矢 量控制”。這種電機控制方法，已成為市售 EV 的 標準驅(qū)動方式。矢量控制，為了實現(xiàn)讓電機繞組在 最佳時機通電，需要通過繞組的感應(yīng)電壓（空載感 應(yīng)電勢）計算出繞組和電磁鐵（定子和轉(zhuǎn)子）的位置， 再通過復(fù)雜的計算找到合適的通電時間。

  進角調(diào)整是怎樣實現(xiàn)的？ 

如果可以精準地進行進角調(diào)整，電機的效率和 轉(zhuǎn)速就能夠得到提高。那么，進角調(diào)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(fù)試驗才知道。進角調(diào)整，一般通過改變軟件上的時間設(shè)置來 實現(xiàn)。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(shè)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(zhuǎn)子的磁極（N 極、S 極）的。進角調(diào)整就是將這 3 個磁敏感器朝著旋轉(zhuǎn)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(xiàn)的時間比電機空載時要晚一些。這時， 讓其向進角側(cè)移動（實際上就是一點點）。

文章來源：EV編輯部  EV技研