汽車電動轉向系統(tǒng)用驅動電機現(xiàn)狀及其發(fā)展

1、汽車電動轉向系統(tǒng)用驅動電機現(xiàn)狀及其發(fā)展鄭虎周中堅(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海201804)【摘要】汽車電動轉向系統(tǒng)用驅動電機目前主要有永磁直流電機、異步電機和永磁同步電機。對于應用于汽車電動轉向(EPS)系統(tǒng)而言，各種電機都有其適用性和局限性。文章在分析各種電機特點基礎上，結合EPS發(fā)展，提出了EPS電機的發(fā)展方向?！続bstract】Themaintypesofdrivingmotorforautomotiveelectr

2、icalpowersteeringinclude：permanentmagnetcontinuouscurrentmotor，asynchronousmotorandpermanentmagnetsynchronousmotorThemotorshavetheirownadvantagesandlimitationswhenapplyingtoautomotiveEPSsystemBasedontheanalysisofthechara

3、cteristicsofthesemotors，thedevelopmentdirectionofthemotorishighlightedcombinedwiththedevelopmentofEPS【關鍵詞】電動轉向系統(tǒng)汽車驅動電機doi：103969／jissn10074554201102090引言隨著能源壓力日趨顯著，節(jié)能降耗已成為汽車領域一個十分重要的研究課題。正是在這一背景下，近十年來，汽車電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)在國內的

4、汽車領域得到了很大的發(fā)展和進步。較傳統(tǒng)的液壓助力轉向器，EPS具有顯著優(yōu)點：駕駛操縱穩(wěn)定性好；節(jié)能環(huán)保；易于模塊化設計和安裝；便于維修，易于調整和檢測；可以根據(jù)個人偏好，調整助力模式。此外，一些新技術的應用如自動駕駛、自動泊車等，也需要應用EPS。目前市場上的EPS主要有管柱式(C—EPS)、齒輪式(P—EPS)、雙小齒輪式(DEPS)和齒條助力式(R—EPS)，以及正在研發(fā)階段的線控轉向。EPS有幾大部件：控制器、驅動電機、扭矩傳感器

5、、機械減速機構和機械轉向器。其中驅動電機作為EPS主要部件之一，主要功能為向EPS提收稿日期：2010—1I一1936供助力。圖1是典型的P—EPS系統(tǒng)對電機轉矩的要求。雖然不同型式的EPS對電機的功率要求不同，但是轉矩曲線的形狀和趨勢是相同的。根據(jù)EPS系統(tǒng)的助力特性，不僅要求電機具有低速大扭矩，扭矩波動??；而且要求它可靠性高、易于控制、效率高、轉動慣量小、振動噪聲小等。隨著EPS的發(fā)展，不斷有高性能的驅動電機出現(xiàn)。目前在EPS中應用

6、的主要自。永磁直流(自‘刷)電機、異步電機、永磁同步電機以及正在研究的開關磁阻電機。下文首先對這幾種電機的特性進行逐一分析，在分析的基礎上，結合EPS發(fā)展，提出EPS電機的未來發(fā)展方向。l直流電機永磁直流電機(DCBM)最早應用于EPS中。從式(1)和(2)可知，電磁轉矩與電樞電流呈線性關系，通過控制電樞最大電流和電機端電壓，即上海汽車2011022異步電機為了滿足更大的轉向齒條力要求，擴大EPS的適用范圍，有必要開發(fā)更大功率的電機。異

7、步電機(ASM)以其較大的功率輸出和成熟的產(chǎn)品和工藝，被廣泛應用到EPS系統(tǒng)中。圖4為應用于大眾速騰和斯柯達明銳的電動轉向系統(tǒng)的ASM。由圖中可見，此ASM和控制器集成在一起，圖中塑料部分為控制器。異步電機在德國采埃孚(ZF)公司和美國天合(TRw)公司的EPS系統(tǒng)中得到了廣泛研究和應用。≤——lIll蘭ASM應用于EPS系統(tǒng)，一方面填補直流電機功率偏小的需要，另一方面是EPS系統(tǒng)可靠性的需要。由于ASM不存在電刷和換向器機構，因此相對

8、于直流電機而言其可靠性得到大幅提高。異步電機的控制相對比較復雜，一般采用矢量控制或者直接轉矩控制。電機電磁轉矩與轉子磁鏈和電流T軸分量成正比，如式(3)所示。通過矢量變換和磁場定向，可將三相異步電機在同步旋轉的MT坐標中轉換為永磁直流電機，從而使之具有很好的控制性能，能獲得和圖1相似的電機在不同轉速下的轉矩特性。=pi(3)式中，為電磁轉矩；P為電機極對數(shù)；為轉子磁鏈；i，為電流軸分量。異步電機具有很多對于EPS系統(tǒng)來說非常重要的優(yōu)良特

9、性：可靠性高；噪聲和振動極低；即使異步電機相間短路，也不會對轉向安全造成影響；異步電機幾乎不存在CoggingTorque和很小的TorqueRipple；制作簡單，工藝成熟。然而異步電機也存在一定的缺陷：效率和功率因數(shù)低，功率密度小等。較大的體積，一方面會38增加EPS系統(tǒng)的重量，另一方面影響EPS系統(tǒng)的空問和安裝，從而影響異步電機的使用。3永磁同步電機目前世界上大多數(shù)EPS系統(tǒng)供應商如日本捷太格特(Jtekt)、ZF、美國德爾福(D

10、elphi)、TRw等都在致力于開發(fā)和應用永磁同步電機(PMSM)，產(chǎn)品覆蓋當前的主流車型。圖5是應用于JtektEPS的電機定子和轉子。定予轉子永久磁鐵圖5EPS用永磁同步電機定子和轉子(JtektEPS)相對于異步電機而言，永磁同步電機其具有更廣的功率范圍，更大的功率密度、更高的效率和功率因數(shù)，因而得到了廣泛應用。由于它有較小的體積，不需要占用過多空間，這在汽車上具有很大優(yōu)勢，因而有逐步取代異步電機的趨勢。較小的機械時間常數(shù)和電氣時

11、間常數(shù)，保證了PMSM具有良好的動態(tài)性能。應用于EPS中的PMSM以面裝式為主，其性能相當于隱極式同步電機，電磁轉矩見式(4)。由此可見，電機電磁轉矩與q軸電流成正比。通過Ij=0控制，使PMSM具有永磁直流電機的特性，能獲得和圖1相似的在不同轉速下的轉矩特性。通過弱磁控制，可以拓展PMSM的轉速范圍，從而滿足轉向系統(tǒng)在高速轉向時助力的需要。=pi(4)式中，為電磁轉矩；P為電機極對數(shù)；，為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；i。為電流q軸分量。PMSM