科学瞎想系列之八十六 永磁电机(7)
龙行天下 标准答案 李保来龙行天下CSIEM9月9日
前面几期瞎想讲了永磁电机的基本知识，还具体讲了几种永磁电机恒速运行的工况分析，从本期开始老师给宝宝们讲一讲永磁电机变速运行的事。所谓变速运行顾名思义就是运行在转速需要变化的工况，由于转速的变化，电机的反电势、频率、交直轴电抗等固有参数也随之变化，另外随着转速的变化，负载参数也会随之变化，这就使得其内部电磁过程变得异常复杂，与恒速运行相比，变速运行分析起来会更加繁琐。虽然辣么复杂繁琐，但谁让老师辣么牛X呢？再难的事经老师给你辣么一捋，你就全明白了！好！接下来老师就给宝宝们慢慢的捋。和恒速运行一样，做变速运行的永磁电机也有发电机和电动机，我们先说永磁电动机，以后再说发电机。从哪儿说起呢？就先从永磁电动机所带的负载说起吧。
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1 变速运行的负载特性
变速运行的负载种类繁多，运行工况千变万化，但万变不离其宗，仅就负载特性来看，最常见的无非以下几种：
① 恒转矩负载。所谓恒转矩负载，就是无论转速多大、如何变化，转矩都是恒定不变的负载。这类负载的转矩—转速(T—n)特性就是水平一条横线；功率等于转矩乘以转速，随着转速的增大，功率会成比例增大，因此功率—转速(P—n)特性是一条过原点、斜向上的直线，其斜率就是转矩，因为转矩恒定，所以斜率恒定。其负载特性如图1所示。这类负载有卷扬机、电梯、起重机等等。
② 平方转矩负载。所谓平方转矩负载就是转矩与转速的平方成正比，随着转速的增大，转矩成平方地增大，因此，这类负载的T—n特性就是一条抛物线；由于功率等于转矩乘以转速，因此功率就与转速的三次方成正比，其P—n特性曲线就是一条三次抛物线，如图2所示。这类负载主要有风机、泵类、螺旋桨等等。
③ 惯性负载。所谓惯性负载就是电动机驱动一个惯性体(具有质量m或转动惯量J)，转矩只与转速的变化率(角加速度)成正比，而与转速本身的大小无关。即只有在电机加减速时转矩不为0，在任意转速稳态运行时转矩均为0。由于这类负载的转矩与转速本身没有直接的关系，只与转速的变化率(加速度)和惯量有关，因此不好用一条T—n曲线和P—n曲线来描述它的转矩和功率特性，只能用一族曲线或一片区域来描述，对于惯量恒定的惯性负载，若以恒加速度运行时，对应不同加速度或达到某特定转速差所需不同时间的转矩—转速特性和功率—转速特性如图3所示。如果考虑所有加速度范围，那就是一片特定的区域。这类负载如：惯性储能负载、大惯量机械负载的起动工况、伺服机构的动作等都属于此类负载。
④ 恒功率负载。所谓恒功率负载是指转矩与转速的乘积为常数的负载，即T•n=常数，因此这类负载的T—n曲线为双曲线，P—n曲线为一条水平直线，如图4所示。严格地说，很少有机械负载天然具备这种固有的恒功率特性，大多是因为受拖动电动机的功率限制而不得不运行在这种恒功率的工况，因此与其说是恒功率负载，不如说是机械负载运行在恒功率工况！如车辆的低速爬坡工况、挖掘机的作业工况等，均可看着是恒功率负载工况。
⑤ 组合负载。除了以上具有单一负载特性的负载外，许多负载具有以上多种负载特性，或者可以运行在各种特性的负载工况下，可以说是各种负载特性兼有的组合体，例如现在异常火爆的新能源汽车的动力需求就是这样的负载，因为新能源汽车电机是当前的热点，是大多宝宝们最感兴趣的东东，因此老师就专门说说这种电机。
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2 新能源汽车对驱动电机的要求
① 加速启动。喜欢玩汽车的宝宝们都知道，汽车有一个非常重要的技术指标，那就是百公里加速时间，其实就是加速度指标，这个指标对乘客的体验就是传说中的“推背感”，在这种加速启动工况下，由于车身有很大的惯性，要达到一定的加速度就必须要有很大的扭矩，这个扭矩与滚阻扭矩相比，滚阻可以忽略不计，又由于启动时车速并不很高，因此风阻也可忽略不计，这种工况就可以把它看做是一个惯性负载，即转矩大小取决于车体质量和加速度或百公里加速时间，对于特定的车辆(整车质量一定)，百公里加速时间越短，所需要的转矩就越大，因此要想获得刺激的推背感就需要电机在低速范围内有足够大的峰值转矩，由于此时电机的转速并不是很高，因此电机的功率并不是很大。
② 中速超车。宝宝们驾驶您的爱车跑在高速上时，看到前面有车就会心堵，于是乎就想一脚油门踩到底超过去，这时就需要驱动电机在一定速度的情况下仍然要有足够大的转矩，由于此时电机已经具有一定的转速，转速与转矩的乘积即是功率，所以这种情况还需要电机具备足够大的峰值功率才能一闪而过轻松超越，通常受电机峰值功率的限制，超车时的加速度比启动加速时的加速度要小很多，因此此时的惯性转矩比较小，与风阻转矩、滚阻转矩可比，此工况相当于惯性负载与风阻负载(平方转矩负载)以及滚阻负载的组合负载。
③ 高速匀速运行。汽车在平直的高速公路上匀速行驶所受到的阻力只有风阻和滚阻，滚阻属于恒转矩负载，而风阻属于平方转矩负载，因此这种工况就是恒转矩和平方转矩负载的组合负载。
④ 爬坡。爬坡时车辆所受到的阻力包括重力沿坡度方向的分量和滚阻，如果在较高速度下爬坡还会受到风阻，受电机峰值转矩和峰值功率的限制，往往在低速爬坡工况(如：出地下车库)，电机以峰值转矩运行；高速爬坡时以恒功率方式运行，坡度大就得放慢速度以保证功率不过载。
⑤ 回馈刹车。电动汽车一个最大的特点就是可以使电机运行状态改变，在刹车时将车辆的动能回收变为电能，回充到电池中，这也是电动汽车可以节能的最主要原因。回馈刹车时电机处于发电状态，车辆变成了原动机，拖动永磁电机发电，电磁转矩变为制动性质。急刹车时电机希望以最大的制动转矩运行，但受电机峰值转矩和峰值功率限制，低速急刹车以峰值转矩运行，中高速急刹车只能以峰值功率运行，如果制动力矩不够还得借助机械刹车共同制动。
综合以上各种运行工况，所需要的电磁转矩如图5所示，图中给出了各种工况典型的转矩特性，电机要想满足如此多的工况要求，其外特性(T—n特性）就必须能够覆盖所有这些工况，如图5中的红色曲线所包围的区域。你说这个难不难？别急！更难的还远不止这些，说实话，如果不限制电机的体积重量，满足上述工况要求对电机设计来讲，虽然有一定的难度，但还是可以接受的，更让人崩溃的是汽车电机最重要的一个指标是所谓的功率密度，也就是说必须严格限制在一个非常苛刻的体积重量下满足上述要求，而且还要满足一系列如振动、噪声、电磁兼容等那些一听就让人晕菜、如天书一般的变态指标！就这样变态卖个天价也可以，而价格却是白菜价！这样的电机你要是能设计出来想不牛X都不行！因此江湖上有个说法，说没搞过汽车电机就别嘚瑟说自己是搞电机的！搞汽车电机设计就是要用操白粉的心来搞出白菜价格的航天产品！那么汽车电机应该如何设计呢？首先得从理论上把永磁电机整明白，才能悟出其中的道道，如果前几期有关永磁电机的瞎想是一个基础，那么接下来的几期瞎想才是真正渐入佳境，进入攻坚阶段！宝宝们准备准备，调整一下呼吸敬请期待吧！
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