人間と環境の共存、世界経済の持続可能な発展のため、人々は低排出ガスで資源効率の高い交通手段を求めるようになっており、電気自動車の使用が有望な解決策であることは間違いありません。
現代の電気自動車は、電気、電子、機械制御、材料科学、化学技術などのさまざまなハイテク技術を統合した総合的な製品です。全体的な動作性能や経済性などは、まずバッテリーシステムとモーター駆動制御システムに依存します。電気自動車のモーター駆動システムは、通常、コントローラーという 4 つの主要な部分で構成されます。電力変換器、モーター、センサー。現在、電気自動車に使用されるモーターには、一般的に DC モーター、誘導モーター、スイッチトリラクタンス モーター、永久磁石ブラシレス モーターが含まれます。
1. 電気自動車の電気モーターに対する基本要件
電気自動車の操作は、一般的な産業用途とは異なり、非常に複雑です。したがって、駆動システムに対する要求は非常に高くなります。
1.1 電気自動車用モーターは、大きな瞬間出力、強力な過負荷容量、過負荷係数 3 ～ 4)、良好な加速性能、および長寿命の特性を備えている必要があります。
1.2 電気自動車用モーターは、定トルク領域や定出力領域を含む幅広い速度制御を備えている必要があります。定トルク領域では、発進時や登坂時の低速走行時に高いトルクが必要となります。定出力領域では高速が要求され、平坦路での高速走行の要求に応えるために低トルクが要求されます。必要とする。
1.3 電気自動車の電気モーターは、内燃機関自動車では達成できない最高のエネルギー利用率を実現するために、自動車の減速時に回生ブレーキを実現し、エネルギーを回収してバッテリーにフィードバックできなければなりません。 。
1.4 電気自動車の電気モーターは、1 回の充電での航続距離を延ばすために、動作範囲全体で高い効率を備えている必要があります。
また、電気自動車用の電動機には、信頼性が高く、過酷な環境でも長時間動作できること、構造が簡単で量産に適していること、動作時の騒音が低く、使いやすいことも求められます。メンテナンスもできて安いです。
2 電気自動車用電動機の種類と制御方式
2.1 直流
モーター ブラシ付き DC モーターの主な利点は、シンプルな制御と成熟したテクノロジーです。ACモーターにはない優れた制御特性を持っています。初期に開発された電気自動車では主に DC モーターが使用されており、現在でも一部の電気自動車は DC モーターで駆動されています。しかし、ブラシと機械的な整流子の存在により、モータの過負荷容量と速度のさらなる向上が制限されるだけでなく、長期間運転するとブラシや整流子の頻繁なメンテナンスと交換が必要になります。また、ローターに損失が存在するため放熱が難しく、モーターのトルク対質量比の更なる向上には限界があります。上記のような DC モーターの欠点を考慮して、新規に開発される電気自動車には基本的に DC モーターは使用されません。
2.2 AC三相誘導電動機
2.2.1 交流三相誘導電動機の基本性能
AC 三相誘導モーターは、最も広く使用されているモーターです。ステータとロータは珪素鋼板でラミネートされており、ステータ間にはスリップリングや整流子等の接触部品がありません。シンプルな構造で確実な操作性と耐久性を備えています。AC誘導モーターの出力範囲は非常に広く、速度は12000〜15000r/minに達します。空冷または液冷が使用でき、冷却の自由度が高い。環境適応性に優れ、回生フィードバックブレーキを実現します。同じ出力のDCモーターと比較して、効率は高く、品質は約半分に低下し、価格は安く、メンテナンスが便利です。
2.2.2 制御システム
AC三相誘導電動機はバッテリから供給される直流電力を直接利用することができず、非線形な出力特性を持っているためです。そのため、交流三相誘導電動機を使用する電気自動車では、インバータにパワー半導体素子を用いて直流を周波数や振幅を調整できる交流に変換し、交流制御を実現する必要があります。三相モーター。主にv/f制御方式とすべり周波数制御方式があります。
ベクトル制御方式を用いて、交流三相誘導電動機の励磁巻線の交流電流の周波数と入力交流三相誘導電動機の端子調整を制御し、回転磁界の磁束とトルクを制御します。交流三相誘導電動機の回転数を制御し、交流三相誘導電動機の切替を実現します。速度と出力トルクは負荷変化特性の要件を満たし、最高の効率が得られるため、AC三相誘導電動機は電気自動車に広く使用できます。
2.2.3 の欠点
AC三相誘導電動機 AC三相誘導電動機は消費電力が大きく、ローターが発熱しやすいです。AC三相誘導電動機は高速運転時に冷却を確保する必要があり、冷却を怠ると電動機が破損します。交流三相誘導電動機の力率が低いため、周波数変換・電圧変換装置の入力力率も低くなり、大容量の周波数変換・電圧変換装置を使用する必要があります。ＡＣ三相誘導電動機の制御システムのコストは、ＡＣ三相誘導電動機自体のコストよりもはるかに高く、電気自動車のコストを増加させる。さらに、交流三相誘導電動機の速度制御も悪いです。
2.3 永久磁石ブラシレスDCモーター
2.3.1 永久磁石ブラシレスDCモータの基本性能
永久磁石ブラシレス DC モーターは高性能モーターです。最大の特徴は、ブラシによる機械的接触構造を持たず、DCモーターの外観特性を備えていることです。また、永久磁石回転子を採用しており、励磁損失がありません。加熱された電機子巻線は放熱しやすい外側固定子に設置されています。したがって、永久磁石ブラシレス DC モーターには整流スパークがなく、電波干渉がなく、長寿命で信頼性の高い動作が可能です。、メンテナンスが簡単。さらに、その速度は機械的な転流によって制限されず、エアベアリングまたは磁気サスペンションベアリングが使用されている場合は、毎分最大数十万回転で動作することができます。永久磁石ブラシレス DC モーター システムと比較して、エネルギー密度と効率が高く、電気自動車への応用が期待されています。
2.3.2 永久磁石ブラシレス DC モーターの制御システム
一般的な永久磁石ブラシレス DC モーターは、疑似デカップリング ベクトル制御システムです。永久磁石は固定振幅の磁界しか生成できないため、永久磁石ブラシレス DC モータ システムは非常に重要です。定トルク領域での運転に適しており、一般的には電流ヒステリシス制御や電流フィードバック型SPWM方式で完結します。さらに速度を向上させるために、永久磁石ブラシレス DC モーターは弱め界磁制御を使用することもできます。弱め界磁制御の本質は、相電流の位相角を進めて直軸減磁ポテンシャルを提供し、固定子巻線の鎖交磁束を弱めることです。
2.3.3 の不足
永久磁石ブラシレス DC モーター 永久磁石ブラシレス DC モーターは、永久磁石材料プロセスの影響を受けて制限されるため、永久磁石ブラシレス DC モーターの出力範囲が小さくなり、最大出力はわずか数十キロワットです。永久磁石材料が振動、高温、過負荷電流にさらされると、透磁率が低下または減磁する可能性があり、これにより永久磁石モータの性能が低下し、ひどい場合にはモータが損傷することもあります。過負荷は発生しません。定電力モードでは、永久磁石ブラシレスＤＣモータは動作が複雑であり、複雑な制御システムを必要とするため、永久磁石ブラシレスＤＣモータの駆動システムが非常に高価になる。
2.4 スイッチトリラクタンスモーター
2.4.1 スイッチトリラクタンスモーターの基本性能
スイッチトリラクタンスモーターは新しいタイプのモーターです。このシステムには多くの明らかな特徴があります。その構造は他のどのモーターよりも単純で、モーターの回転子にはスリップ リング、巻線、永久磁石はなく、固定子のみにあります。シンプルな集中巻で巻線の端が短く、相間ジャンパがないので保守・修理が容易です。したがって、信頼性が高く、速度は15000 r/minに達することができます。効率は 85% ～ 93% に達し、AC 誘導モーターよりも高くなります。損失は主にステータにあり、モーターは冷却されやすいため、ロータは永久磁石であり、広い速度調整範囲と柔軟な制御を備えており、トルク-速度特性のさまざまな特殊要件を容易に達成でき、広い範囲で高い効率を維持します。電気自動車の動力性能要件により適しています。
2.4.2 スイッチトリラクタンスモーター制御システム
スイッチトリラクタンスモーターは高度な非線形特性を持っているため、その駆動システムはより複雑になります。その制御システムには電力コンバータが含まれています。
ａ．電力変換器のスイッチトリラクタンスモーターの励磁巻線、順電流または逆電流に関係なく、トルクの方向は変化せず、周期は転流されます。各相には、より小さい容量の電源スイッチ管のみが必要であり、電力変換器回路は比較的シンプルで、ストレートスルー故障がなく、信頼性が高く、システムのソフトスタートと 4 象限動作の実装が容易で、強力な回生ブレーキ機能があります。 。交流三相誘導電動機のインバータ制御方式に比べてコストが安くなります。
b.コントローラ
コントローラーはマイクロプロセッサー、デジタル論理回路、その他のコンポーネントで構成されます。ドライバから入力された指令に応じて、位置検出器と電流検出器からフィードバックされたモータのロータ位置をマイコンが同時に解析・処理し、瞬時に判断し、一連の実行指令をドライバに発行します。スイッチトリラクタンスモーターを制御します。さまざまな条件下での電気自動車の動作に適応します。コントローラの性能と調整の柔軟性は、マイクロプロセッサのソフトウェアとハードウェア間の性能連携に依存します。
c.位置検出器
スイッチドリラクタンス モーターには、モーター ローターの位置、速度、電流の変化の信号を制御システムに提供する高精度の位置検出器が必要です。また、スイッチトリラクタンス モーターのノイズを低減するには、より高いスイッチング周波数が必要です。
2.4.3 スイッチトリラクタンスモーターの欠点
スイッチトリラクタンスモーターの制御システムは、他のモーターの制御システムに比べて少し複雑です。位置検出器はスイッチトリラクタンスモータの重要なコンポーネントであり、その性能はスイッチトリラクタンスモータの制御動作に重要な影響を与えます。スイッチトリラクタンスモータは二重突極構造であるため、必然的にトルク変動が発生し、騒音が大きな欠点となります。しかし、近年の研究により、合理的な設計・製造・制御技術を採用することで、スイッチトリラクタンスモータの騒音を完全に抑制できることがわかってきました。
また、スイッチトリラクタンスモータの出力トルクの変動や電力変換器の直流電流の変動が大きいため、直流母線に大きなフィルタコンデンサを取り付ける必要がある。自動車は歴史のさまざまな時期にさまざまな電気モーターを採用しており、最高の制御性能と低コストを備えた DC モーターが使用されています。モーター技術、機械製造技術、パワーエレクトロニクス技術、自動制御技術の継続的な発展により、ACモーターが開発されました。永久磁石ブラシレス DC モーターとスイッチトリラクタンス モーターは DC モーターよりも優れた性能を示しており、これらのモーターは電気自動車の DC モーターに徐々に置き換えられています。表 1 は、最新の電気自動車に使用されているさまざまな電気モーターの基本性能を比較したものです。現在、交流モータ、永久磁石モータ、スイッチトリラクタンスモータ、およびそれらの制御装置のコストは依然として比較的高い。量産後は、これらのモーターやユニット制御装置の価格が急速に下がり、経済的利益の要件を満たし、電気自動車の価格が下がります。
投稿日時: 2022 年 3 月 24 日