新能源汽車四種常用電機驅(qū)動系統(tǒng)詳解

我國車用電機在全球資源條件下具有明顯的比較優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿^大。從新能源汽車的產(chǎn)業(yè)鏈來看，受益端將主要集中在核心零部件領(lǐng)域。國內(nèi)車用驅(qū)動電機行業(yè)現(xiàn)狀：電機業(yè)中的小行業(yè)、但制造門檻高，電機驅(qū)動系統(tǒng)還存在較多差距與不足，但國內(nèi)政策扶持將加快產(chǎn)業(yè)步伐。

作為新能源汽車的核心部件(電池、電機、電控)之一，圖1，驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)未來發(fā)展前景可觀。

驅(qū)動電機系統(tǒng)簡介

新能源汽車具有環(huán)保、節(jié)約、簡單三大優(yōu)勢。在純電動汽車上體現(xiàn)尤為明顯：以電動機代替燃油機，由電機驅(qū)動而無需自動變速箱。相對于自動變速箱，電機結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、運行可靠。

傳統(tǒng)的內(nèi)燃機能高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速限制在一個窄的范圍內(nèi)，這就是為何傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車需要龐大而復雜的變速機構(gòu)的原因；而電動機可以在相當寬廣的速度范圍內(nèi)高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在純電動車行駛過程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪音低。

與混合動力汽車相比，純電動車使用單一電能源，電控系統(tǒng)大大減少了汽車內(nèi)部機械傳動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更簡化，也降低了機械部件摩擦導致的能量損耗及噪音，節(jié)省了汽車內(nèi)部空間、重量。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件(電池、電機、電控)之一，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。

電動汽車中的燃料電池汽車FCV、混合動力汽車HEV和純電動汽車EV三大類都要用電動機來驅(qū)動車輪行駛，選擇合適的電動機是提高各類電動汽車性價比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求，并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的電動機驅(qū)動方式顯得極其重要。

驅(qū)動電機系統(tǒng)是新能源車三大核心部件之一。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車的整個驅(qū)動系統(tǒng)包括電動機驅(qū)動系統(tǒng)與其機械傳動機構(gòu)兩個部分。電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

電動機一般要求具有電動、發(fā)電兩項功能，按類型可選用直流、交流、永磁無刷或開關(guān)磁阻等幾種電動機，如圖3。功率轉(zhuǎn)換器按所選電機類型，有DC/DC功率變換器、DC/AC功率變換器等形式，其作用是按所選電動機驅(qū)動電流要求，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓等級的直流、交流或脈沖電源。

電機是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理運行的旋轉(zhuǎn)電磁機械，用于實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)換。運行時從電系統(tǒng)吸收電功率，向機械系統(tǒng)輸出機械功率。電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機、控制器(逆變器)構(gòu)成，驅(qū)動電機和電機控制器所占的成本之比約為1:1，根據(jù)設(shè)計原理與分類方式的不同，電機的具體構(gòu)造與成本構(gòu)成也有所差異。電機的控制系統(tǒng)主要起到調(diào)節(jié)電機運行狀態(tài)，使其滿足整車不同運行要求的目的。針對不同類型的電機，控制系統(tǒng)的原理與方式有很大差別。

圖2 電動機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖

圖3 電機的分類(按原理)

電動汽車對驅(qū)動電機的基本要求

比較四種常用電機驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用以及優(yōu)缺點等。

1.電動汽車電機的基本要求有以下幾點：

(1)電機結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，封裝尺寸有限，必須根據(jù)具體產(chǎn)品進行特殊設(shè)計。

(2)重量輕，以減輕車輛的整體重量。應(yīng)盡量采用鋁合金外殼，同時轉(zhuǎn)速要高，以減輕整車的質(zhì)量，增加電機與車體的適配性，擴大車體可利用空間，從而提高乘坐的舒適性。

(3)可靠性高、失效模式可控，以保證乘車者的安全。

(4)提供精確的力矩控制，動態(tài)性能較好。

(5)效率高，功率密度較高。要保證在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有很高的效率，以降低功率損耗，提高一次充電的續(xù)駛里程。

(6)成本低，以降低車輛生產(chǎn)的整體費用。

(7)調(diào)速范圍寬。應(yīng)包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，低速運行輸出的恒定轉(zhuǎn)矩大，以滿足汽車快速啟動、加速、負荷爬坡等要求；高速運行輸出恒定功率，有較大的調(diào)速范圍，以滿足平坦的路面、超車等高速行駛的要求。

(8)瞬時功率大，過載能力強。要保證汽車具有4~5倍的過載能力，以滿足短時內(nèi)加速行駛與最大爬坡的要求。

(9)環(huán)境適應(yīng)性好。要適應(yīng)汽車本身行駛的不同區(qū)域環(huán)境，即使在較惡劣的環(huán)境中也能夠正常工作，具有良好的耐高溫、耐潮濕性能。

(10)制動再生效率高。在汽車減速時，能夠?qū)崿F(xiàn)反饋制動，將能量回收并反饋回電池，使得電動汽車具有最佳能量利用率。

(11)其他。結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，適合大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維修方便。
(12)與一般工業(yè)用電機不同，用于汽車的驅(qū)動電機應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大、后備功率高、效率高的特性，此外，還要求可靠性高、耐高溫及耐潮、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)等。未來我國電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)將朝著永磁化、數(shù)字化和集成化方向發(fā)展。

2、異步電動機(感應(yīng)電動機)在新能源汽車中的應(yīng)用

(1)異步電動機介紹

感應(yīng)電動機又稱“異步電動機”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉(zhuǎn)動的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場并不是用機械方法來實現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當于一個旋轉(zhuǎn)的磁場。這種電動機并不像直流電動機有電刷或集電環(huán)，依據(jù)所用交流電的種類有單相電動機和三相電動機。

(2)異步電動機的特點

異步電動機有下面的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用；運行可靠、維護方便；價格低廉，體積小、質(zhì)量輕；環(huán)境適應(yīng)性好；轉(zhuǎn)矩脈動低，噪聲低。交流異步電動機成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時也不會產(chǎn)生反電動勢，所以不會出現(xiàn)急剎車的可能性。

因此，廣泛應(yīng)用于大型高速的電動汽車中。三相籠型異步電動機的功率容量覆蓋面很廣，從零點幾瓦到幾千瓦。它可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高、對環(huán)境的適應(yīng)性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動。與同樣功率的直流電動機相比較，效率較高、重量約要輕一半左右。

同時它有下面的缺點：功率因數(shù)低，運行時必須從電網(wǎng)吸收無功電流來建立磁場；控制復雜，易受電機參數(shù)及負載變化的影響；轉(zhuǎn)子不易散熱；調(diào)速性能差，調(diào)速范圍窄。

優(yōu)勢分析：新能源汽車專用的電動機，通過從電池中獲取有限的能量產(chǎn)生動作，所以要求其在各種環(huán)境下的效率都要很好。因而，在性能上要求比一般工業(yè)用的電動機更加嚴格。適合作為電動汽車專用的電機需要滿足幾個特性：由高速化而生的小型輕量化(堅固性)、高效性(一次充電后的續(xù)駛里程長)、低速大轉(zhuǎn)矩情況下的大范圍內(nèi)的恒定輸出特性、壽命長以及高可靠性、低噪聲性和成本低廉。但是現(xiàn)實中全部滿足以上幾個特性的電機還未被開發(fā)出來。目前更適于新能源汽車的電機是交流異步電機和PM電動機。

(3)異步電動機的控制系統(tǒng)

由于交流三相感應(yīng)電機不能直接使用直流電，因此需要逆變裝置進行轉(zhuǎn)換控制。新能源汽車減速或制動時，電機處在發(fā)電制動狀態(tài)，給蓄電池充電，實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)換為電能。在新能源汽車上，由功率半導體器件構(gòu)成的PWM功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電。

三相異步電動機逆變器的控制方法主要有V/f恒定控制法、轉(zhuǎn)差率控制法、矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制法(DTC)。20世紀90年代以前主要使用前兩種控制方式，但是因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想，而對于需頻繁起動、加減速的電動車并不適合。現(xiàn)在，后兩種控制方式目前處于主流的地位。

(4)異步電動機的應(yīng)用現(xiàn)狀

在美國，異步電動機應(yīng)用的較多，這也被人為是和路況有關(guān)。在美國，高速公路已經(jīng)具有一定的規(guī)模，除了大城市外，汽車一般以一定的高速持續(xù)行駛，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速運轉(zhuǎn)而且在高速時有較高效率的異步電動機得到廣泛應(yīng)用。在我國，隨著高速公路規(guī)模的發(fā)展，交流異步電動機在新能源汽車上的應(yīng)用也會越來越重要。

3、永磁無刷電動機在新能源汽車中的應(yīng)用

隨著近些年來電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)、稀土永磁材料、傳感器技術(shù)與電機控制理論的快速發(fā)展，使得交流驅(qū)動技術(shù)逐漸成熟。

相比于現(xiàn)有串勵或者并勵有刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，永磁無刷電機擁有功率密度大、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單牢固、易于維護等優(yōu)點，且采用永磁無刷電機作為驅(qū)動元件的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)運行和維護成本較低；采用全數(shù)字化和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得驅(qū)動器接口靈活，控制能力更強，操作更加舒適；應(yīng)用能量回饋制動技術(shù)，可以減少剎車片的磨損，同時又增加汽車續(xù)駛里程。

因此，基于電動汽車市場發(fā)展需要和技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)可靠、低成本、性能優(yōu)良的全數(shù)字化電動汽車永磁無刷電機驅(qū)動系統(tǒng)，對于電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。

(1)永磁同步電動機簡介

在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場有兩種方法。一種是在電機繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生磁場，這種方法既需要有專門的繞組和相應(yīng)的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動，例如普通的直流電機和同步電機。另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場，這種方法既可簡化電機結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。由永磁體產(chǎn)生磁場的電機就是永磁電機。

它利用永磁體建立勵磁磁場的同步電動機，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。同步發(fā)電機為了實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，需要有一個直流磁場而產(chǎn)生這個磁場的直流電流，稱為發(fā)電機的勵磁電流。根據(jù)勵磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵磁電流的發(fā)電機，稱為他勵發(fā)電機，從發(fā)電機本身獲得勵磁電源的，則稱為自勵發(fā)電機。

(2)永磁同步電動機的特點

永磁同步電動機有以下優(yōu)點：功率因數(shù)大，效率高，功率密度大；結(jié)構(gòu)簡單、便于維護，使用壽命較長、可靠性高；調(diào)速性能好，精度高；具有良好的瞬時特性，轉(zhuǎn)動慣量低，響應(yīng)速度快；頻率高，輸出轉(zhuǎn)矩大，極限轉(zhuǎn)速和制動性能優(yōu)于其他類型的電機；采用電子功率器件作為換向裝置，驅(qū)動靈活，可控性強；形狀和尺寸靈活多樣，便于進行外形設(shè)計；采用稀土永磁材料后電機的體積小、質(zhì)量輕。

但是永磁同步電動機也有以下缺點：電機造價較高；在恒功率模式下，操縱較為復雜，控制系統(tǒng)成本較高；弱磁能力差，調(diào)速范圍有限；功率范圍較小，受磁材料工藝的影響和限制，最大功率僅為幾十千瓦；低速時額定電流較大，損耗大，效率較低；永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。永磁材料磁場不可變，要想增大電機的功率，其體積會很大；抗腐蝕性差；不易裝配。

(3)永磁電機作為驅(qū)動電機的優(yōu)越性

①轉(zhuǎn)矩、功率密度大、起動力矩大。永磁電機氣隙磁密度可大大提高，電機指標可實現(xiàn)最佳設(shè)計，使得電機體積縮小、重量減輕，同容量的稀土永磁電機體積、重量、所用材料可以減輕30%左右。永磁驅(qū)動電機起動轉(zhuǎn)矩大，在汽車啟動時能提供有效地啟動轉(zhuǎn)矩，滿足汽車的運行需求。

②力能指標好。Y系列電機在60%的負荷下工作時,效率下降15%,功率因數(shù)下降30%，力能指標下降40%。而永磁電機的效率和功率因數(shù)下降甚微,當電機只有20%負荷時,其力能指標仍為滿負荷的80%以上。同時永磁無刷同步電機的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長,一直延伸到電機最高轉(zhuǎn)速的50%左右,這對提高汽車的低速動力性能有很大幫助。

③高效節(jié)能。在轉(zhuǎn)子上嵌入稀土永磁材料后,在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行,轉(zhuǎn)子繞組無感生電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗,提高了電機效率。永磁電機不但可減小電阻損耗,還能有效地提高功率因數(shù)。如在25%-120%額定負載范圍內(nèi)永磁同步電機均可保持較高的效率和功率因素。

④結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。用永磁材料勵磁,可將原勵磁電機中勵磁線圈由一塊或多塊永磁體替代,零部件大量減少,在結(jié)構(gòu)上大大簡化，改善了電機的工藝性,而且電機運行的機械可靠性大為增強,壽命增加。轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無功電流，電機溫升低,這樣也可以使整車冷卻系統(tǒng)的負荷降低,進一步提高整車運行的效率。

(4)永磁同步電機的控制系統(tǒng)

永磁電機的控制技術(shù)與感應(yīng)電機類似，控制策略上主要集中在提高低速轉(zhuǎn)矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步電機低速時常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉(zhuǎn)子磁鏈定向、定子磁鏈定向等；而在高速運行時，永磁同步電機通常采用弱磁控制。

(5)永磁電機應(yīng)用現(xiàn)狀

稀土永磁電機的設(shè)計理論、計算方法、檢測技術(shù)和制造工藝正不斷地完善和發(fā)展,永磁材料的性能和可靠性正不斷地提高。電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的快速發(fā)展也對永磁驅(qū)動電機的發(fā)展起到了積極的促進作用。隨著未來混合動力汽車和純電動汽車的快速發(fā)展,永磁驅(qū)動電機將迎來一個更為快速發(fā)展的時期,其發(fā)展趨勢也將呈現(xiàn)以下特點:高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高可控性、高效率、高性能、高價格比等,以滿足混合動力汽車和純電動汽車的實際需求。

4、開關(guān)磁阻電動機在新能源汽車中的應(yīng)用

(1)開關(guān)磁阻電動機簡介

開關(guān)磁阻電動機(SwitchedReluctanceDrive：SRD)是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調(diào)速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計和制作技術(shù)為一體的光、機、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點。

開關(guān)磁阻電機覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)。使的開關(guān)磁阻電機存在許多潛在的領(lǐng)域，在各種需要調(diào)速和高效率的場合均能得到廣泛使用(電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器、紡織機械、電力傳動系統(tǒng)等各個領(lǐng)域)。

開關(guān)磁阻電動機工作原理：開關(guān)磁阻電動機的運行遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。

(2)開關(guān)磁阻電機特點

它的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動機都要簡單，在電動機的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、繞組和永磁體等，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的端部較短，沒有相間跨接線，維護修理容易。因而可靠性好，轉(zhuǎn)速可達15000r/min。效率可達85%～93%呢，比交流感應(yīng)電動機要高。損耗主要在定子，電機易于冷卻；轉(zhuǎn)子元永磁體，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性，而且在很廣的范圍內(nèi)保持高效率。更加適合電動汽車動力性能要求。

開關(guān)磁阻電機還具有在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行、控制靈活、可四象運行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點。工藝性好，適用于高速，環(huán)境適應(yīng)性強；電機轉(zhuǎn)矩的方向與繞組電流的方向無關(guān)；適用于頻繁啟停以及正反向轉(zhuǎn)換運行；啟動電流小，轉(zhuǎn)矩大；可控參數(shù)多，調(diào)速性能好；具有較強的再生制動能力；定子和轉(zhuǎn)子的材料均采用硅鋼片，易于獲取和回收利用。

但開關(guān)磁阻電機有轉(zhuǎn)矩波動大、需要位置檢測器、系統(tǒng)非線性特性，磁場為跳躍性旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)復雜；對直流電源會產(chǎn)生很大的脈沖電流等缺點。位置檢測器是開關(guān)磁阻電動機的關(guān)鍵器件，其性能對開關(guān)磁阻電動機的控制操作有重要影響。由于開關(guān)磁阻電動機為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動，噪聲是開關(guān)磁阻電動機最主要的缺點。

但近年來的研究表明，采用合理的設(shè)計、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關(guān)磁阻電動機輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。

(3)開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)的核心是開關(guān)磁阻電動機(SRM)，它涉及到電動機，電力電子，微機，控制，光電轉(zhuǎn)換，角度測量等等多學科知識，結(jié)構(gòu)比較復雜，控制系統(tǒng)要求也比較獨特，感應(yīng)電動機和永磁同步電動機的控制方法通常難以滿足系統(tǒng)的控制要求。目前電動汽車應(yīng)用較少。它的主要研究方向是模型研究。

由于開關(guān)磁阻電機具有明顯的非線性特性，系統(tǒng)難于建模，一般的線性控制方式不適于開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)。目前主要利用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

它的控制系統(tǒng)包括功率變換器、控制器和位置傳感器及速度檢測器等部分。

①功率變換器

開關(guān)磁阻電動機的勵磁繞組，無論通過正向電流或反向電流，其轉(zhuǎn)矩方向不變，期換向，每相只需要一個容量較小的功率開關(guān)管，功率變換器電路較簡單，不會出現(xiàn)直通故障，可靠性好，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動和四象限運行，具有較強的再生制動能力。成本比交流三相感應(yīng)電動機的逆變器控制系統(tǒng)要低。

②控制器

控制器由微處理器、數(shù)字邏輯電路等元件組成。微處理器根據(jù)駕駛員輸入的命令，同時對位置檢測器、電流檢測器所反饋的電動機轉(zhuǎn)子位置，進行分析、處理，并在瞬間做出決策，發(fā)出一系列執(zhí)行命令，來控制開關(guān)磁阻電動機適應(yīng)電動汽車不同條件下運行?？刂破餍阅芎脡暮驼{(diào)節(jié)的靈活性，取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關(guān)系。

③位置檢測器

開關(guān)磁阻電動機需要高精度的位置檢測器，來為控制系統(tǒng)提供電動機轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速和電流的變化信號，并要求有較高的開關(guān)頻率以降低開關(guān)磁阻電動機的噪聲。

5、直流電動機在新能源汽車中的應(yīng)用

直流電機可分為永磁式直流電機和繞組勵磁式電機兩種。一般小功率采用前者，大功率采用后者，下面主要討論后者。

(1)直流電動機簡介

直流電機:將直流電能轉(zhuǎn)化成機械能(直流電動機)或?qū)C械能轉(zhuǎn)化為直流電能(直流發(fā)電機)的旋轉(zhuǎn)電機。
直流電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

有刷直流電動機被廣泛用于要求轉(zhuǎn)速可調(diào)、調(diào)速性能好，以及頻繁起動、制動和反轉(zhuǎn)的場合。

(2)直流電動機的特點

直流電動機有下面的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，可實現(xiàn)基速以下恒轉(zhuǎn)矩、基速以上恒功率，可滿足汽車對動力源低速高轉(zhuǎn)矩、高速低轉(zhuǎn)矩的要求；可頻繁快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；調(diào)速平滑、無級、精確、方便，范圍廣；抗過載能力強，能夠承受頻繁的沖擊負載；控制方法簡單，只需要用電壓控制，不需要檢測磁極位置。

但是它也有下面缺點：設(shè)有電刷和換向器，高速和大負荷運行時換向器表面易產(chǎn)生電火花，同時換向器維護困難，很難向大容量、高速度發(fā)展，此外電火花會產(chǎn)生電磁干擾；不宜在多塵、潮濕、易燃易爆的環(huán)境中使用；價格高、體積和質(zhì)量大。其中電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對高度電子化的電動汽車來說將是致命的。隨著電子力子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，相對于其它驅(qū)動系統(tǒng)而言，直流電機在電動汽車中的應(yīng)用已處于劣勢，目前已逐漸被淘汰。

(3)直流電機的控制系統(tǒng)

直流電機控制系統(tǒng)主要由斬波器和中央控制器構(gòu)成，根據(jù)直流電機輸出轉(zhuǎn)矩的需要，通過斬波器來控制電機的輸入電壓、電流，來控制和驅(qū)動直流電機的運行。

6、各種電機的比較

我們先比較各種電機的發(fā)展歷史，從圖4上我們可以看到，有刷直流電機、一般同步電機、感應(yīng)電機與有刷磁鐵電機商品化歷史最長，其產(chǎn)品更新?lián)Q代不斷，而且迄今還在應(yīng)用。而自上世紀80年代開始進入商品化的表面永磁同步電機與1990年代以來研制開發(fā)的開關(guān)磁阻電機、內(nèi)置式永磁同步電機以及最新的同步磁阻電機相繼進入市場，并在電動汽車與混合動力車上獲得應(yīng)用。

圖4：各種電機的發(fā)展歷史比較

就目前發(fā)展水平，各類驅(qū)動電機基本性能比較如下：

圖5：各類驅(qū)動電機基本性能比較

圖6：各類驅(qū)動電機基本性能比較

然后再比較各種電機在哪些新能源汽車上應(yīng)用比較廣。異步電機主要應(yīng)用在純電動汽車，永磁同步電機主要應(yīng)用在混合動力汽車中，開關(guān)磁阻電機目前主要應(yīng)用在客車中。而從中國不同種類新能源汽車驅(qū)動電機的應(yīng)用來看，目前交流異步感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機主要應(yīng)用于新能源商用車,特別是新能源客車，開關(guān)磁阻電機的實際裝配應(yīng)用較少；永磁同步電機主要應(yīng)用于新能源乘用車。

最后比較各種電機在我國發(fā)展現(xiàn)狀：

(1)交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)平臺，形成了小批量生產(chǎn)的開發(fā)、制造、試驗及服務(wù)體系；產(chǎn)品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類電動客車；通過示范運行和小規(guī)模市場化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗證。

(2)開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)已形成優(yōu)化設(shè)計和自主研發(fā)能力，通過合理設(shè)計電機結(jié)構(gòu)、改進控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿足整車需求；部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車示范運行，效果良好。

(3)無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)國內(nèi)企業(yè)通過合理設(shè)計及改進控制技術(shù)，有效提高了無刷直流電機產(chǎn)品性能，基本滿足電動汽車需求；已初步具有機電一體化設(shè)計能力。

(4)永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于各類電動汽車；產(chǎn)品部分技術(shù)指標接近國際先進水平，但總體水平與國外仍有一定差距；基本具備永磁同步電機集成化設(shè)計能力；多數(shù)公司仍處于小規(guī)模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司已投資建立車用驅(qū)動電機系統(tǒng)專用生產(chǎn)線。

(5)永磁電機材料永磁電機的主要材料有釹鐵硼磁鋼、硅鋼等。部分公司掌握了電機轉(zhuǎn)子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術(shù)。國內(nèi)研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可280℃，但技術(shù)水平仍與德國和日本有較大差距。硅鋼是制造電機鐵芯的重要磁性材料，其成本占電機本體的20%左右，其厚度對鐵耗有較大影響，日本已生產(chǎn)出0.27mm硅鋼片用于車用電機，我國僅開發(fā)出0.35mm硅鋼片。

7、新能源汽車驅(qū)動電機未來展望

新能源汽車驅(qū)動電機目前的發(fā)展方向有以下幾方面：小型輕量化；高效性；更出色的轉(zhuǎn)矩特性；使用壽命長，可靠性高；噪聲低；價格低廉。隨著時間的推移，新能源驅(qū)動電機的發(fā)展呈現(xiàn)了下面的趨勢：

①電機本體永磁化：永磁電機具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機是我國車用驅(qū)動電機的重要發(fā)展方向。

②電機控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，促進了電機控制器的數(shù)字化，提高了電機系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。

③電機系統(tǒng)集成化：通過機電集成(電機與發(fā)動機集成或電機與變速箱集成)和控制器集成，有利于減小驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。

下面談?wù)劧喾N未來的電機，隨著新能源汽車驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展，許多新結(jié)構(gòu)或新概念電機已經(jīng)投入研究。其中新型永磁無刷電機是目前最有前景的電機之一，包括混合勵磁型、輪轂型、雙定子型、記憶型以及磁性齒輪復合型等。此外非晶電機也開始走進新能源汽車領(lǐng)域，作為新一代高性能電機，其自身的優(yōu)越性必將對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動作用。

(1)混合勵磁電機

混合勵磁電機是在保持電機較高效率的前提下，改變電機的拓撲結(jié)構(gòu)，由兩種勵磁源共同產(chǎn)生電機主磁場，實現(xiàn)電機主磁場的調(diào)節(jié)和控制，改善電機調(diào)速、驅(qū)動性能或調(diào)壓特性的一類新型電機。其不僅繼承了永磁電機的諸多特點，而且還具有電勵磁電機氣隙磁場平滑可調(diào)的優(yōu)點。如永磁開關(guān)磁阻電機和永磁同步磁阻電機。

(2)雙定子永磁電機

雙定子電機是在現(xiàn)有電機體積不變的基礎(chǔ)上增加定子的個數(shù)，使氣隙數(shù)量由一層變?yōu)閮蓪踊蛘叨鄬拥囊环N新型永磁無刷電機。由于轉(zhuǎn)矩的疊加，作用于轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)增加，從而提高電機整體的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。由于這種電機的機械集成度較高，所以其具有響應(yīng)快、動態(tài)特性好，結(jié)構(gòu)材料利用率高和驅(qū)動靈活等特點。

(3)記憶電機

記憶電機又稱為磁通可控永磁電機，與一般永磁電機的區(qū)別在于，永磁材料本身的磁化程度能夠在很短的時間內(nèi)通過施加充磁或者去磁電動勢而得到改變，并且充磁和去磁之后其磁化程度也能被保留住記憶。因此具有更寬的調(diào)速范圍，同時可以避免產(chǎn)生額外的勵磁損耗，實質(zhì)上是一種新的簡單高效的弱磁控制技術(shù)。

(4)磁性齒輪永磁無刷復合電機

該電機是一種集成無刷直流驅(qū)動電機和共軸磁性齒輪的復合電機。所謂共軸磁性齒輪是一種基于調(diào)磁諧波原理的高性能、無接觸的變速傳遞裝置。這種電機巧妙地利用了共軸磁性齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子的中空部分，將電機定子嵌入其中，將輪胎直接鉚合在齒輪外轉(zhuǎn)子上，實現(xiàn)了電機、磁性齒輪、輪胎的一體化，有效地提高了空間利用率。

(5)非晶電機

非晶電機是一種利用非晶合金取代傳統(tǒng)硅鋼片作為鐵心材料的高效、節(jié)能、無污染的新型電機。其在高頻下的損耗極低，具有很高的效率；與相同標準的普通電機相比，體積和質(zhì)量大大減小，極大地提高了能源和資源的利用率。

對于同樣的新能源汽車，若使用非晶電機可以增加其行駛里程30%以上，而在相同行駛里程的情況下，電池可以節(jié)省30%的費用?？傊?，非晶電機憑借其高效率、高功率密度等優(yōu)勢將成為替代傳統(tǒng)電機的下一代高效電機。