电动汽车电机综述
摘要：电驱动系统是电动汽车的核心与关建部件之一。电动汽车驱动电机与传统电机相比工作环境复杂、要求高，需要先进的设计与制造技术的支撑，而且电动汽车驱动电机是一个高技术含量的新产品，与传统内燃机汽车相比，电动汽车在国内外处于产业化初期阶段，与之相关的高新技术与产品还依赖于配套供应商的支持，尚未形成新的工业体系。汽车动力电气化是汽车技术发展的趋势，电机驱动系统作为电动汽车的主要零部件具有巨大的市场和美好的前景[1]。 关键词：电动汽车；车用电机；新型电机技术；
1.引言
电动汽车电机与传统电机相比工作状态与工作环境都更加复杂，它要求一个电机既作为发电机，又作为电动机工作，而且工作在整个速度与转矩平面上；要求电机系统具有高的功率密度、宽的高效工作区；并且还必须抗振、低噪音、可靠性好，价格低[2-3]。
2.电动汽车电机的类型与特点
电动汽车电机系统与普通工业电机系统不同，要求高功率密度、高效率、高可靠性、低成本和宽的环境适应性。因此传统的电机不能满足电动汽车用电机的要求。目前，电动汽车驱动用电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。通过表1，可以先大致了解下4种较为典型的电动机的性能特性。
表1 4种典型电动机的性能特性 性能及类型 转速范围/rpm 功率密度 电动机重量 电动机体积 可靠性 结构坚固性 控制器成本 直流电动机 4000~6000 低 重 大 一般 差 低 感应电动机 12000~20000 中 中 中 好 好 高 永磁同步电动机 4000~10000 高 轻 小 优良 好 高 开关磁阻电动机 >15000 较高 轻 小 好 好 一般 （1）直流电机
早期开发的电动汽车多采用传统的直流电机，电池储存电能，电能是以直流电的方式从电池输出经过转换器传至电动机。直流电动机按有刷直流电动机和无刷直流电动机区分，有刷直流电动机因维护不方便被无刷直流电动机取代，根据电动汽车对电动机的技术要求，直流电动机能够满足电动汽车运行的基本需求，另外，无刷直流电动机也不需要用户在用车期间去考虑它的维护问题，基于这样的特性，无刷直流电动机已成为入门级电动汽车所使用的最为普遍的一种类型。
之所以说它是入门级电动机的首选是因为这种电动机自身也存在一些弊端，这些弊端会成为阻碍它在电动汽车行业里的发展。直流电动机的转速范围不算宽泛，而且最高转速仅为6000rpm左右，这样的转速属性很难满足电动汽车的工况需求，所以，有些厂商通过为其匹配二级减速器或具备一定传动齿比范围的CVT变速箱来弥补直流电动机在转速方面的短处。显然，这样的技术结构在空间布置以及重量控制方面对整车的设计都有不利的影响。当然，也可以只为电动机匹配一个单级减速器，但车辆的动力性能以及最高车速都会受到影响。 （2）感应电机
感应电机效率高(90％以上)，比功率较大(接近1 kW／kg)，运行可靠，调速范围宽，功率容量覆盖面广，产业化基础好，价格便宜；在电动汽车上广泛应用。克莱斯勒汽车公司A-Class Electric，福特汽车公司的RANGER EV、Think City，日本Nissan汽车公司FEV，法国雷诺汽车公司Clio Electric，意大利菲亚特汽车公司Seicento Elettra，韩国现代汽车公司的Santa Fe燃料汽车甚至连特斯拉都采
用感应电机驱动控制系统。目前在美国仍然是电动汽车驱动系统的主流产品。我国一汽、东风混合动力客车，北京清源纯电动客车，清华燃料电池客车均采用的是感应电机方案。因为变频调速是电动机首先要具备的功能，因为，电动汽车的车轮由电动机和差速器组成的传动机构进行驱动，电动机本身的转速范围即可满足车辆的行驶需要，因此，从技术结构来看，变速箱不再是整个动力系统的必要装置，但是，在变频调速的性能方面，还是对电动机提出了较高的要求，另外，倒车也是日常驾驶时经常遇到的问题，所以，还需要电动机能够自如的在正反转状态间切换。
（3）永磁同步电机
永磁同步电机比功率大(超过1KW／kg)，效率高(达97％)，在电动轿车上占有优势。尤其在日本得到普遍应用，是日系电动汽车的主流驱动系统。如Toyota的Prius，Honda的CIVIC，Honda的Insight，Nissan的Altra都使用的是永磁同步电机。我国一汽、二汽混合动力轿车、同济大学燃料电池轿车采用的是永磁同步方案。永磁同步电机从磁钢在电机中的安放方式又可内置式和表贴式，下图则是永磁同步电机的组成示意图。
内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。得到越来越大的重视，如丰田Prius驱动电机，福特Escape，Eaton客车均采用了此方案。此外，下图几款车型也使用了永磁同步电机。
（4）开关磁阻电机
开关磁阻电机的转子由矽钢片迭成，结构简单，特别适合高速运行，但其较大的力矩波动和噪声影响了其应用的范围。在法国、德国的电动汽车上已有应用。在我国东风汽车的混合动力客车上曾使用此方案。此外，开关磁阻电动机是一个很具发展潜力的电动机，在同样具备结构简单、坚固耐用、工作可靠、效率高等优势外，它的调速系统可控参数多和经济指标比上述电动机都要好。功率密度也更高，这意味着电动机在重量更轻且功率大，当电流达到额定电流的15%时即可实现100%的起动转矩。而更小的体积也使得电动汽车的整车设计更为灵活，可以将更大的空间贡献给车内，更为重要的是，这种电动机的成本也不高。
说了这么多优点，那为什么这类电动机还无法得到普及呢？虽然开关磁阻电动机的结构简单，但控制系统的设计相对复杂，特别是在研发阶段，现有技术很难为其建立准确的数学模型。在实际运转过程中，电动机本身发出的噪音以及振动是电动汽车无法“容忍”的，尤其是负载运行的工况下，这两点尤为明显。综上所述，这类电动机或许在未来能够通过技术优化克服致命硬伤的前提下，广泛应用于电动汽车领域，能够帮助电动汽车的续航里程有所提升。
3.国内外电动汽车电机研发现状
由于电动汽车市场的及电动汽车用电驱动系统的成熟度不够，国际上电动汽车电驱动系统专门的供应商不是太多，一般由传统电机企业、汽车电子企业或电池企业拓展的供应商提供。目前国外电动汽车驱动系统的主要企业有美国Enova公司，加拿大Ballard，美国Solectric(太阳电公司)。日本东京电机公司属下的日本富士电子研究所，德国磁电(MM)公司等。Enova公司设计，制造和测试电动汽车和混合动力汽车的相关产品，包括能量管理单元，电驱动控制单元， 电机驱动系统等，主要产品是感应电机驱动系统。加拿大Ballard该公司是世界领先的燃料电池研发，生产厂商。同时还提供燃料电池电动汽车和其他电动汽车的电驱动系统。Solectric(美国)(太阳电公司)美国著名的混合动力用电力设备生产商，其产品应用于军事和混合动力汽车上。永磁电机驱动系统主要有日本东京电机公司属下的日本富士电子研究所，为丰田公司提供。目前电动汽车驱动用电机正处于成长期，产品已有应用，但还没有形成规模的市场产品，具有巨大的市场空间。国外的公司已经可以提供合格的电驱动系统产品，但型号、规格较少，价格较贵，并且由于整车单位专利等原因，在市场上买到合适的产品还不太容易。需要价格适中，型号多样的供货商。但从发展的趋势看，随着电动汽车批量的增加，国外的供应商会很快成熟，并以高端产品为主。
在科技部支持下，“八五”、“九五”，清华大学、中科院、哈工大、华中科技大学等科研院所在电动汽车用电机驱动技术方面开展了开拓性的研究。“十五”更是有上海安乃达、株洲电力机车研究所、中纺机电、上海御能等单位加入了电动汽车用电机的研发中。目前通过攻关，已经掌握了电动汽车的关键技术，开发出了一系列满足整车要求的电机驱动系统样机。极大地提升了我国自主设计开发电动汽车用电机系统产品的能力，为电动汽车电机系统的产业化打下了基础。这些单位主要为我国自主研发的电动汽车提供电驱动系统。多数经过了装车试运行。但除了株洲电力机车研究所为传统电机生产企业外，其他均为高校、科研院所及小型高新技术企业：存在的问题是产业化经验、资金与能力不够。没有大规模的批量供货的能力。
“十一五”以来，在电动汽车重大专项“整车牵头，关键零部件协同发展”的集成研发中，各单位开发出了一系列满足整车要求的驱动电机系统样机，保障了整车开发的顺利进行，形成了一定的自主研发和创新能力。永磁无刷电机，交流异步电机和开关磁阻电机等电机系统都分别配套应用于不同的整车，功率覆盖了200kW以下范围；在电机用转速传感器的研制、高性能低成本绝缘材料的开发、电机制造工艺的优化以及电机磁性材料的稳定性研究方面，获得了初步成果。
863计划要求每个整车匹配1—3家配套单位。目前研制情况为：中科院电工所为一汽和东风混合动力车研制了永磁同步电机系统，为北京理工大学的纯电动大客车研制了感应电机系统，上海御能动力公司为一汽和东风混合动力轿车和同济大学燃料电池轿车研制了永磁磁阻电机系统，哈工大为一汽混合动力轿车和客车研制了永磁同步电机和感应电机系统，株洲电力机车研究所为清华大学燃料电池客车和北京理工大学的纯电动大客车研制了感应电机系统，上海安乃达公司为同济大学燃料电池轿车研制了永磁无刷电机系统。中纺锐力公司为东风混合动力客车研制了开关磁阻电机系统，天津大学为天津清源出电动轿车研制了永磁同步和交流感应电机系统。
4.电动汽车电机关键技术的研究[5]
目前国内电动汽车电机存在的问题有：可靠性、耐久性、环境适应性问题；电磁兼容性问题；批量制造产品的设计和工艺问题；一体化和集成度问题；关键材料如高性能的硅钢片和关键元件如IGBT功率模块等问题；成本的降低问题。 （1）四象限全平面设计技术
传统电机是工作在较为稳定的一点或线上(固定转速变负载或固定负载变转速)，因此电机设计一般主要针对传统工频(50／60HZ)固定电压额定工作点进行设计，采用的是经验加磁路计算。但是电动汽车驱动用电机工作在从最低速到在
最高速，从空载到满负荷整个区域，而且，要求一个电机即可以工作在电动状态，也可以工作在发电状态，至少工作在两象限；如果纯电动和燃料电池电动汽车的整车设计为电子控制倒车的话，还需要反转，即四象限工作。因此电动汽车驱动系统的电机的设计，必须考虑四象限全平面高效率，低噪声；在低速满足恒扭矩要求，高速满足恒功率要求。需要采用磁路计算和有限元电磁场仿真的方法，对全部工作区域进行了优化设计，使得整个工作区域的效率提高，效率大于80％的高效区达到70％(一般要求为50％)，这对于提高纯电动汽车和燃料电池电动汽车的续驶里程，提高混合动力汽车的燃油经济性具有非常重要的意义。 （2）适于变频驱动的设计技术
转子设计是整个电动机设计最重要的部分。普通的感应电动机为了提高起动转矩，转子通常选用深槽或双笼结构，而电动汽车用感应电动机采用变频起动方式，因此不存在增大起动电阻的要求。相反，如果仍采用集肤效应较大的深槽转子，将会降低电机的最大转矩，使系统的高速性能变差、效率降低。因此在进行转子设计时，选用受集肤效应影响小的倒梯形的转子槽形；同时，在工艺上，增加转子导条与铁心之间的绝缘电阻，并使用电阻率低的铜导条，以减小转子铜损和杂散损耗，使电动机具有“低转差特性”。为了使杂散损耗减小到最低程度，用有限元法对槽漏磁进行解析，对转子槽形进行优化。另外，在设计转子槽形时，还考虑了电动机的控制特性。由于电动汽车驱动用感应电动机属于高速电动机，转子通常应采用强度高的闭El槽，但采用矢量控制时，控制特性对电动机的二次参数的变化比较敏感，因此，采用了漏抗随负载电流变化小的半开口槽，经过优化的槽形，其高频损失少，力矩特性高，控制特性好。 （3）减小振动与噪声研究
电动汽车驱动电机性能要求和工作环境的特殊性使电机的电磁噪声问题比较突出。一般的工业电机设计时只要避开额定工作区域的共振频率就可以，而电动汽车驱动用电机工作在全平面区域。而且，为提高过载能力，电动汽车驱动电机的电密和磁密取值较高，使电机在大负载工作点饱和程度较高，增加了电磁力波的含量和电磁力波的分析难度；为降低车重，电动汽车驱动电机的轭部厚度等电机结构参数取值比一般工业驱动电机的小，降低了电机结构的刚度，使电磁振动幅值增大；狭小的安装空间和恶劣的工作环境对驱动电机的结构设计和散热设计提出了较高的要求，导敛驱动电机结构更加紧凑复杂，增加了电机结构固有模态的分析难度；变频调速增加了电源谐波的含量，使电磁力波的含量更加丰富；宽广的调速范围增加了避免电磁共振的难度。由于电磁噪声的频带通常分布在700Hz～5000Hz之间，在这个频带范围内，人耳具有很高的灵敏度，可能引起强烈的噪声感觉，严重时表现为刺耳的啸叫声。电动汽车驱动电机的电磁噪声过大
不但会影响驾驶的舒适性，还会对周边环境造成噪声污染。低噪声已经逐渐成为电动汽车驱动电机的一项重要性能指标。 （4）新结构电机的研究
双转子电机是在传统电机“定子+转子”的结构基础上再增加一个转子而形成的新型机电能量转换装置。它的结构可以是径一径向，轴．轴向，甚至足轴一径向的，其工作原理可以是基于直流电机、感应电机、永磁电机、开关磁阻电机，甚至是它们相互之间的交叉综合，其布置和控制方式灵活多样。
通过对电机的优化设计，双转子电机可以具有大扭矩、低惯量、高功率密度的特点。通过合理控制，双转子电机具有灵活的能量流动方式，既可以将输入的机械能全部输出，又可以只输出部分能量，而另一部分能量回馈电源，甚至将电源能量和输入机械能一并输出，实现在四个象限内都可以工作，在混合动力汽车上具有广阔的应用前景。
而诞生于100年前的轮毂电机到现在仍旧停留在概念阶段，目前，很多配套厂商都能够拿出轮毂电机以及驱动车桥的设计方案，但少有厂商能够予以采纳，轮毂电机给簧下质量带来过重的负担是阻碍它发展的原因之一[5]。
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参 考 文 献
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