转矩、转速和“体格” 

物理学中的力矩就是力， 功率就是做功的量。

我们熟悉的“加速靠转矩，最 高转速要靠功率”的说法，其实是错误的。实际上， 加速也好，达到最高转速也好，都由电机的功率决定。电机的功率是与  转矩 × 转速 成正比的。此外，电机的转矩是它的“体格”决定的， 这一点也很重要。我们要了解电机转矩产生的原理，就要再次回 到弗莱明左手定则： 

  F =I×B×L 

决定转矩的三要素：

I（电流）、B（磁场密度）、 L（导线长度）。这样，我们就明白：要使 F 增大， 就必须加大电机的“体格”。此外，在“电负荷与磁负荷”中，我们也讲过 电机的输出功率与    电负荷 × 磁负荷 × 转速 

成正比。加大电负荷，就要增加绕线空间；而加大 磁负荷，就必须增加可以产生有效磁通量的铁心（在 磁通密度相同的条件下，必须加大磁路的横截面积）。

功率相同的情况下，低转速电机的体积更大

 决定电机输出功率的另一要素就是转速。如前 所述，转速、电负荷、磁负荷有着相互依存的关系。电机设计就是根据需求，对这 3 个要素进行调整。DD 电机（包括轮毂电机）的转速与车轮的 转速是相同的。在汽车上使用的电机，其转速为 1000~1500r/min。对电机而言，这样的转速非常低。然而，要在这么低的转速下，实现大功率输出，就 必须增大    电负荷 × 磁负荷 由于是乘积关系，两者都需要增大。就像前面 提到的那样，这将直接影响电机的“体格”。也就是说， 要增大 DD 电机的输出功率，就不得不增大它的体 积（质量）。 

一般 EV 使用的是高转速电机

相反，电机的转速越高，电负荷和磁负荷就可 以变小。也就是说，小型、轻量型电机也可以实现 大功率输出。至此我们应该了解，为何 EV（太阳能车比赛、 节能行驶比赛等特殊用途除外）采用的都是减速机 搭配高转速电机使用。同样，我们也可以理解，为 何学生方程式 EV 锦标赛赛车通常不使用 DD 电机， 而采用有减速机的结构。笔者也试做了一台照片 1 所示的电机（与减速机组成的一体式驱动单元），

以供大家参考。这台电机应该也适用于学生方程式 EV 锦标赛。这不是学生方程式赛车专用电机，也可以作为 小型 EV 驱动模块使用。其特征是双电机左右独立 驱动，不使用差动齿轮。另外，因其采用了左右独立驱动结构，也可以 应用在改变左右转矩，进行转矩分配控制的实验。右转时，如果让左侧驱动轮的转矩大于右侧驱动轮 的转矩，只需要稍微打一下方向盘，就可以轻松地 实现转向。不管怎么说，我们应该理解电机的特性： 

·电机的体格决定转矩

 ·提高电机的转速可以增加电机功率 

 

电机发热的对策

 数十千瓦级电机必须冷却

 前面我们提到，电机设计就是让电机的转速、 电负荷、磁负荷这 3 个要素变得平衡和合理。但做到了这些，也并不意味着我们设计出了理 想的电机。还有一个我们无法逃避的大难题，就是 电机的发热问题（在学生方程式比赛用车相关内容 中有所提及）。这一问题与电机的效率问题稍微有 些不同。额定输出只有几百瓦的电机，通过提高电机效 率的设计，可以将电机发热控制在很低的水平。如 额定功率为 300W、效率为 90% 的电机，其功率损 耗为 10%，也就是 30W。损失的这 30W 是以电机发热的形式被消耗掉的。如果电机的发热只有这么多， 一般是不需要冷却的，或者让其自然冷却就可以了。假设我们有一台 30kW 的电机，同样情况下， 它会变成什么样呢？即使电机效率同样是 90%，这 时的热损耗（发热）是 3kW——相当于 3 台 1kW 电 炉子在工作。

 冷却从绕组开始！

 电机的损耗也有来自电机自身以外的因素。即 使我们忽略这些损耗，电机内部总是存在 3000W 热 量而得不到冷却，可是不行的。即使我们把电机效 率提高到 95%，它的发热也有 1500W……这绝对是 不行的。不管是使用风冷、水冷、油冷中的哪一种方法， 总之我们要做的就是对电机，特别是对其绕组进行 冷却。这一点，对于从事电机设计的人，肯定深有 体会。在制造这个级别的电机时，说得极端一点“只 需考虑如何处理这些热量就可以了”。电机发热这 一问题的解决是个很大的难题。从电机发热的来源 来看，绕组产生的热量是最多的。所以，对电机冷 却的首选对象就是绕组。

冷却绕组，究竟用风冷还是水冷？

 给绕组降温，风冷是很有效的。但 EV 用电机 要求防尘、防水，多数情况下都采用全封闭结构。要给封闭的电机降温，就要求电机具有可以让空气 循环的复杂结构。为此，市售的用于 EV 的电机所采用的都是水 冷结构。水冷也需要较复杂的系统，如水冷的水路、散 热器、水（油）循环泵等辅助装置。而风冷，只要 在转子上安装一个风扇就可以自己散热，这样的自 冷结构可以简单地实现散热。严格意义上讲，水冷方式并不能直接对绕组（发 热源）进行冷却，而是通过绕组缠绕的铁心进行间 接冷却。说到这里，这与汽车发动机开发初期的情况很 相近。很久以前，本田在大型摩托车发动机冷却上 执着于风冷是出了名的：“即使通过水的循环带走 了发动机（气缸）产生热量，但最终还是需要空气 来吸收这些热量。这样的话，还不如通过风冷直接 带走这些热量呢。”这也不无道理。随着技术、材料的快速发展，电机今后也会得 到进一步进化。比如，如果我们开发出与常温超导 体相近的材料，即使是再大的电机，也只要自然冷 却就可以了。 

 

电机通电方式的选择

 理想的是正弦波通电，但矩形波也不是不可以

 接下来，我们考察电机的通电方式。EV 节能行 驶比赛用车大多使用 100W 左右的电机，太阳能车 使用 1000~2000W 的电机，这些电机适合采用“120° 矩形波通电”。从电机的驱动原理来看，使用正弦 波波形通电才是最佳的。但是，这样控制器的电路 就变得复杂了。另外，这些比赛都以能量消耗最小 化为目的，复杂的控制器自身功耗比采用矩形波通 电时大很多。在节能行驶比赛中，有些赛车只需使用 50~70W 电机就可以行驶，电子电路（控制器）的功耗会对 比赛结果产生很大的影响。从这个意义上讲，矩形 波通电方式很适合这类比赛（如果有低功耗正弦波 电路就另当别论了）。 

 提高 PWM 占空比 

从电机的效率来看，矩形波通电还有另一个优 点。一般这类比赛使用的电机都通过 PWM 控制来调 节电机输出功率。采用 PWM 控制就会发生开关损耗， 这也是降低电机效率的一个因素。因此，对这类比 赛（特别是平坦赛道上的匀速比赛）的电机进行速 度设定时，最好尽量提高 PWM 占空比。以 100% 的 占空比行驶是最理想的。这时，开关只要按照换流的频率进行切换就可 以了。但是，正弦波通电时，需要生成正弦波，（通 过载波频率）开关总是不断进行的，而且要将 PWM 占空比切分为很小的等份。这样产生的正弦波电压， 再加到绕组上，从原理上看，产生的开关损耗增多。这些损耗对输出功率在几十千瓦或几千瓦的赛车来 说，是不可忽视的。

 处理大功率时需要正弦波通电

 刚才讲了电机的通电方式。它完全是为 EV 节 能行驶比赛这一特定条件下使用的电机的控制考虑 的，如果用在学生方程式 EV 锦标赛或一般 EV 电机 上，情况就完全不同了。首先，电机的输出功率增大时，控制器开关损 耗的影响相对变小。相反，采用矩形波通电方式的 情况下，在波形上升沿 / 下降沿，电压会被急剧地 施加到绕组上或从绕组切断。换流时，电机的电流 波形会发生振荡（产生很大的干扰），由此产生很 大的损耗。另外，如果没有节能行驶比赛的那些限制条件 （环形赛道行驶或平道巡航），这种通电方式适合 各种形式的行驶。起动、加速、减速、上坡、下坡、 乘坐人数的变化、装载货物的多少等，都会引起电 机负载的变化。在这种情况下，单纯的矩形波通电 不能有效地发挥其性能，应该采用正弦波通电方式。 

 

电机的进角调整

  你了解发动机的进角调整吗？ 

发动机控制中使用的“进角调整”，大家听说 过吗？汽油发动机的工作原理：

①气缸活塞下行， 气缸内空间扩大，吸入汽化燃料（汽油）和空气； 

②活塞上行，使气缸内的混合气体被压缩；

③在活 塞接近上止点时，火花塞点火；

④压缩气体被点燃、 爆发，使活塞下行（气缸内空间扩大）。活塞的上 下行动作转换成曲轴的旋转动作。发动机工作时，

 ① ~ ④周而复始地进行。实际上，汽车发动机会根据行驶情况、负载情 况等变化，对火花塞点火时间进行微小的调整。有的发动机的点火时间是根据发动机的转速、 负载的变化形成的三维坐标图进行控制的。以往的 发动机进角调整有两种：·随转速增加进行进角调整的速度进角 ·随负载变化进行进角调整的真空进角

电机的进角（通电时间）

调整也很重要 电机控制也与发动机控制有相似之处。转速升 高后（换流的频率变高后），即使对绕组施加电压（换 流），绕组电流上升到目标值也需要一定的时间。也就是说，产生了时间差。因此，电机在高速旋转时，适当提前通电，就 可以确保电机在旋转到必要位置时，绕组上有与此 相对应的电流。我们将其称为电机的“进角控制”。适当进行进角调整，可以提高电机的效率。这一点 与发动机进角调整中的速度进角很相似。另一方面，在大负载状态下通电时，为了产生 大的转矩，就需要增加电流。这时，增加绕组上的 电压（或提高占空比），可以加大电流。但是，绕 组是存在感抗的。增大流过电机绕组的电流时，受到感抗的影响， 电流的实际上升是滞后的。这时，提前通电就能确 保电流大小和位置（相位）处于最合适的状态。 

能够迅速应对条件变化的矢量控制

 为了能够应对电机时时刻刻都在变化的条件， 仅仅依靠矩形波通电肯定是不够的。能够适应不断变化的条件，控制电流在最佳时 机流过电机绕组的，是以正弦波通电为基础的“矢 量控制”。这种电机控制方法，已成为市售 EV 的 标准驱动方式。矢量控制，为了实现让电机绕组在 最佳时机通电，需要通过绕组的感应电压（空载感 应电势）计算出绕组和电磁铁（定子和转子）的位置， 再通过复杂的计算找到合适的通电时间。

  进角调整是怎样实现的？ 

如果可以精准地进行进角调整，电机的效率和 转速就能够得到提高。那么，进角调整多少才合适 呢？由于不同的电机需要的进角不同，所以只有通 过反复试验才知道。进角调整，一般通过改变软件上的时间设置来 实现。另外，“CQ 无刷电机和逆变器套件”在定子的 U、V、W 三相绕组正上方设置了磁敏感器。

这里的 磁敏感器不是用来检测电机绕组的磁性的，而是用 来检测通过其上方的转子的磁极（N 极、S 极）的。进角调整就是将这 3 个磁敏感器朝着旋转方向 的反（进角）方向移动 。先让电机空载运行，同时 观察电源的电流变化。观察到的电流值为最小值时， 电机达到最高效率点。这只是电机空载时的状况，加上负载后，最小 电流值出现的时间比电机空载时要晚一些。这时， 让其向进角侧移动（实际上就是一点点）。

文章来源：EV编辑部  EV技研