汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)現(xiàn)狀及其發(fā)展

1、汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)現(xiàn)狀及其發(fā)展鄭虎周中堅(jiān)(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804)【摘要】汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前主要有永磁直流電機(jī)、異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。對(duì)于應(yīng)用于汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)而言，各種電機(jī)都有其適用性和局限性。文章在分析各種電機(jī)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合EPS發(fā)展，提出了EPS電機(jī)的發(fā)展方向?！続bstract】Themaintypesofdrivingmotorforautomotiveelectr

2、icalpowersteeringinclude：permanentmagnetcontinuouscurrentmotor，asynchronousmotorandpermanentmagnetsynchronousmotorThemotorshavetheirownadvantagesandlimitationswhenapplyingtoautomotiveEPSsystemBasedontheanalysisofthechara

3、cteristicsofthesemotors，thedevelopmentdirectionofthemotorishighlightedcombinedwiththedevelopmentofEPS【關(guān)鍵詞】電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(lǐng)域一個(gè)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)在國(guó)內(nèi)的

4、汽車領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展和進(jìn)步。較傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向器，EPS具有顯著優(yōu)點(diǎn)：駕駛操縱穩(wěn)定性好；節(jié)能環(huán)保；易于模塊化設(shè)計(jì)和安裝；便于維修，易于調(diào)整和檢測(cè)；可以根據(jù)個(gè)人偏好，調(diào)整助力模式。此外，一些新技術(shù)的應(yīng)用如自動(dòng)駕駛、自動(dòng)泊車等，也需要應(yīng)用EPS。目前市場(chǎng)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(zhuǎn)向。EPS有幾大部件：控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、扭矩傳感器

5、、機(jī)械減速機(jī)構(gòu)和機(jī)械轉(zhuǎn)向器。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求。雖然不同型式的EPS對(duì)電機(jī)的功率要求不同，但是轉(zhuǎn)矩曲線的形狀和趨勢(shì)是相同的。根據(jù)EPS系統(tǒng)的助力特性，不僅要求電機(jī)具有低速大扭矩，扭矩波動(dòng)小；而且要求它可靠性高、易于控制、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、振動(dòng)噪聲小等。隨著EPS的發(fā)展，不斷有高性能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)。目前在EPS中應(yīng)用

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

7、步電機(jī)(ASM)以其較大的功率輸出和成熟的產(chǎn)品和工藝，被廣泛應(yīng)用到EPS系統(tǒng)中。圖4為應(yīng)用于大眾速騰和斯柯達(dá)明銳的電動(dòng)轉(zhuǎn)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(jī)在德國(guó)采埃孚(ZF)公司和美國(guó)天合(TRw)公司的EPS系統(tǒng)中得到了廣泛研究和應(yīng)用?！堋猯Ill蘭ASM應(yīng)用于EPS系統(tǒng)，一方面填補(bǔ)直流電機(jī)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(jī)構(gòu)，因此相對(duì)

8、于直流電機(jī)而言其可靠性得到大幅提高。異步電機(jī)的控制相對(duì)比較復(fù)雜，一般采用矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)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(chǎng)定向，可將三相異步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)的MT坐標(biāo)中轉(zhuǎn)換為永磁直流電機(jī)，從而使之具有很好的控制性能，能獲得和圖1相似的電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩特性。=pi(3)式中，為電磁轉(zhuǎn)矩；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；為轉(zhuǎn)子磁鏈；i，為電流軸分量。異步電機(jī)具有很多對(duì)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(dòng)極低；即使異步電機(jī)相間短路，也不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向安全造成影響；異步電機(jī)幾乎不存在CoggingTorque和很小的TorqueRipple；制作簡(jiǎn)單，工藝成熟。然而異步電機(jī)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(huì)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(jī)的使用。3永磁同步電機(jī)目前世界上大多數(shù)EPS系統(tǒng)供應(yīng)商如日本捷太格特(Jtekt)、ZF、美國(guó)德爾福(D

10、elphi)、TRw等都在致力于開發(fā)和應(yīng)用永磁同步電機(jī)(PMSM)，產(chǎn)品覆蓋當(dāng)前的主流車型。圖5是應(yīng)用于JtektEPS的電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子。定予轉(zhuǎn)子永久磁鐵圖5EPS用永磁同步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子(JtektEPS)相對(duì)于異步電機(jī)而言，永磁同步電機(jī)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(yīng)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(shì)，因而有逐步取代異步電機(jī)的趨勢(shì)。較小的機(jī)械時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)

11、間常數(shù)，保證了PMSM具有良好的動(dòng)態(tài)性能。應(yīng)用于EPS中的PMSM以面裝式為主，其性能相當(dāng)于隱極式同步電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩見式(4)。由此可見，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)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(jī)的特性，能獲得和圖1相似的在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩特性。通過弱磁控制，可以拓展PMSM的轉(zhuǎn)速范圍，從而滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在高速轉(zhuǎn)向時(shí)助力的需要。=pi(4)式中，為電磁轉(zhuǎn)矩；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；，為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；i。為電流q軸分量。PMSM