以純電動(dòng)汽車(chē)為背景介紹驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用場(chǎng)景以及基本的性能要求。

純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)轎車(chē)中的關(guān)鍵系統(tǒng)，純電動(dòng)轎車(chē)的運(yùn)行性能主要取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型和性能。純電動(dòng)轎車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由整車(chē)控制器、電機(jī)、逆變器、DC- DC、減速器以及驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成。典型的純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖 1 所示。

圖1 典型純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電機(jī)系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車(chē)的唯一動(dòng)力源，承擔(dān)著電動(dòng)汽車(chē)加速、減速、爬坡、高速勻速行駛等復(fù)雜工況的動(dòng)力需求。同時(shí)汽車(chē)的工作環(huán)境惡劣，可靠性要求極高。
純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求：

• 低速輸出大轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)車(chē)輛的起動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡以及頻繁起或停等工況，即: 低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；
• 高速輸出恒定功率，有較大的調(diào)速范圍，以適應(yīng)最高車(chē)速和超車(chē)等要求，即: 高速時(shí)恒功率運(yùn)行；
• 減速時(shí)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將能量回收并反饋回電池，使得整車(chē)具有最佳的能量利用率；
• 電動(dòng)機(jī)可靠性好，能在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適應(yīng)大批量的生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維修方便，成本低，體積小；
• 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、質(zhì)量輕、良好的環(huán)境適應(yīng)性和高可靠性。

參考《純電動(dòng)轎車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型分析》——金靈 宋亮 耿沖 王琳琳

驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類(lèi)

圖2 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類(lèi)

項(xiàng)目 | 直流電機(jī) | 交流電機(jī) | 永磁同步電機(jī) | 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)
----|------|----|-----
比功率|低|中|高|較高
峰值效率（%）|85_89|9495|95_97|8590
負(fù)荷效率（%）|88_91|7985|90_92|7886
轉(zhuǎn)速范圍（rpm）|4000_8000|900015000|4000~10000|>15000
可靠性|差|好|中|好
功率密度|低|中|最高|中
過(guò)載能力（%）|200|300_500|300|300500
成本（￥/kw）|高|低|高|低于感應(yīng)電機(jī)
控制操作性能|最好|好|好|好
控制器成本|低|高|高|一般
輸出功率相對(duì)成本（元/kw）|1.0|0.8_1.2|11.5|0.6~1.0
近十年來(lái),電動(dòng)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是開(kāi)發(fā)系列化的交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。與原來(lái)的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,以上驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì),其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小,質(zhì)量輕,調(diào)速范圍廣,可靠性高。上表給出了各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能比較。目前,美國(guó)的汽車(chē)公司大多采用高速、高效的交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),日本的汽車(chē)公司基本上采用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

異步電動(dòng)機(jī)其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,堅(jiān)固耐用,成本低廉,運(yùn)行可靠,低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),低噪聲,不需要位置傳感器,轉(zhuǎn)速極限高。

異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟,使得異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì),因此被較早應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),目前仍然是電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流產(chǎn)品(尤其在美國(guó)),但己被其他新型無(wú)刷永磁牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐步取代。

最大缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,成本高;相對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)而言,異步電動(dòng)機(jī)效率和功率密度偏低。

永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可采用圓柱形徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)或盤(pán)式軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu),由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍,發(fā)展前景十分廣闊,在電動(dòng)車(chē)輛牽引電機(jī)中是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者,已在國(guó)內(nèi)外多種電動(dòng)車(chē)輛中獲得應(yīng)用。

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為混合式永磁磁阻電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上疊加了磁阻轉(zhuǎn)矩,磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機(jī)的過(guò)載能力和功率密度,而且易于弱磁調(diào)速,擴(kuò)大恒功率范圍運(yùn)行。內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論正在不斷完善和繼續(xù)深入,該電機(jī)結(jié)構(gòu)靈活,設(shè)計(jì)自由度大,有望得到高性能,適合用作電動(dòng)車(chē)高效、高密度、寬調(diào)速牽引驅(qū)動(dòng)。這些引起了各大汽車(chē)公司同行們的關(guān)注,特別是獲得了日本汽車(chē)公司同行的青睞。當(dāng)前,美國(guó)汽車(chē)公司同行在新車(chē)型設(shè)計(jì)中主要采用內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)。

表面凸出式永磁無(wú)刷直流電機(jī)也稱(chēng)為永磁轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī),相對(duì)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)而言,其弱磁調(diào)速范圍小,功率密度低。該結(jié)構(gòu)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,并可望得到低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),適合用作汽車(chē)的電子伺服驅(qū)動(dòng),如汽車(chē)電子動(dòng)力方向盤(pán)的伺服電機(jī)。

無(wú)位置傳感器永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是當(dāng)前永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn),將成為永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一,具有潛在的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速時(shí)常采用矢量控制,高速時(shí)用弱磁控制。

新一代牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

從20世紀(jì)os年代開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)世后,打破了傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)理論和正弦波電壓源供電方式;并隨著磁阻電機(jī),永磁電機(jī)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)新的黃金時(shí)代;新的電機(jī)拓樸結(jié)構(gòu)與控制方式層出不窮,推動(dòng)了新一代機(jī)電一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迅猛發(fā)展。高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調(diào)速牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已成為各國(guó)研究和開(kāi)發(fā)的主要熱點(diǎn)之一。

SRD開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊牢固,適合于高速運(yùn)行,并且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、成本低、性能可靠,在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高,而且可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限控制。這些特點(diǎn)使SRD開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很適合電動(dòng)車(chē)輛的各種工況下運(yùn)行,是電動(dòng)車(chē)輛中極具有潛力的機(jī)種。SRD的最大缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,噪聲大。此外,相對(duì)永磁電機(jī)而言,功率密度和效率偏低;另一個(gè)缺點(diǎn)是要使用位置傳感器,增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,降低了可靠性。因此無(wú)傳感器的SRD也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為雙凸極永磁電動(dòng)機(jī),永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可采用圓柱形徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、盤(pán)式軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和環(huán)形橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。該電機(jī)在磁阻轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上疊加了永磁轉(zhuǎn)矩,永磁轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機(jī)的功率密度和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),以利于它在電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。

轉(zhuǎn)子磁極分割型混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)同步電機(jī)這一概念一提出就引起國(guó)際電工界和各大汽車(chē)公司研發(fā)中心的極大關(guān)注。轉(zhuǎn)子磁極分割型混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī)具有磁場(chǎng)控制能力,類(lèi)似直流電動(dòng)機(jī)的低速助磁控制和高速弱磁控制,符合電動(dòng)車(chē)輛牽引電動(dòng)機(jī)低速大力矩和恒功率寬調(diào)速的需求。目前該電機(jī)的研究處于探索階段,電機(jī)的機(jī)理和設(shè)計(jì)理論有待于進(jìn)一步深入研究與完善,作為候選的電動(dòng)車(chē)輛牽引電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的潛在的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

開(kāi)關(guān)磁阻性能好，優(yōu)點(diǎn)明顯同時(shí)缺點(diǎn)也非常明顯，相關(guān)知識(shí)可參考以下鏈接。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)基本介紹:開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、百度百科：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用

個(gè)人能力所限，關(guān)于各個(gè)分類(lèi)的電機(jī)的詳細(xì)分析還沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，加之目前新能源汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要集中在交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)這兩類(lèi)，因此后續(xù)內(nèi)容主要集中在應(yīng)用最多的永磁同步電機(jī)上，順帶介紹一下交流異步電機(jī)。

感應(yīng)電機(jī)同永磁電機(jī)對(duì)比分析

在上表中我們可以看出交流異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高，過(guò)載能力強(qiáng)、成本稍低，缺點(diǎn)是：功率密度相對(duì)較低、效率較低。永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：效率高、功率密度高，缺點(diǎn)是：可靠性稍低，過(guò)載能力較低，成本較高。
針對(duì)這兩類(lèi)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)個(gè)人認(rèn)為：
1）交流異步電機(jī)比較適合用在大巴車(chē)、物流車(chē)等對(duì)安裝布置空間不敏感，要求過(guò)載能力強(qiáng)的車(chē)型上。
2）永磁同步電機(jī)比較適合用在乘用車(chē)上，乘用車(chē)對(duì)安裝布置空間要求高，一般不會(huì)產(chǎn)生過(guò)載。

感應(yīng)電機(jī)與永磁電機(jī)的效率對(duì)比

圖3 感應(yīng)電機(jī)損耗比率表

如上表所示感應(yīng)電機(jī)的損耗主要包括：轉(zhuǎn)子銅損、雜散損耗、定子銅損（磁通電流）、定子銅損（轉(zhuǎn)矩電流）、摩擦和風(fēng)阻損耗、定子鐵損這幾部分組成。相同功率的永磁電機(jī)相比感應(yīng)電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅損和定子銅損（磁通電流）因此永磁電機(jī)相比感應(yīng)電機(jī)效率更高。

交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)可靠性對(duì)比

交流異步電機(jī)只使用鐵和銅材料組成不使用永磁材料，永磁材料溫度特性差(一般80℃經(jīng)過(guò)特殊處理的能夠達(dá)到200℃)，且易于粉化腐蝕，必須通過(guò)調(diào)整其化學(xué)成分和采取表面處理方法使之得以改進(jìn)，才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。相比交流異步電機(jī)永磁同步電機(jī)在耐溫性能差和高轉(zhuǎn)速下永磁容易產(chǎn)生機(jī)械損傷，因此永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)可靠性要差。
同時(shí)由于永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生如不采取弱磁控制磁場(chǎng)強(qiáng)度是“恒定的”如果電機(jī)處于高轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)很可能會(huì)超過(guò)控制器的最高輸出電壓造成控制器損壞。因此在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)會(huì)進(jìn)行弱磁控制降低反電動(dòng)勢(shì)，以提高電機(jī)轉(zhuǎn)速。

參考文章，擴(kuò)展閱讀：
《純電動(dòng)轎車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型分析》金靈 宋亮 耿沖 王琳琳
《電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀》柴海波，鄢治國(guó)，況明偉，吳建東
《國(guó)外驅(qū)動(dòng)電機(jī)在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用與發(fā)展》楊妙梁
《蔡蔚驅(qū)動(dòng)電機(jī)講座課件》蔡蔚
《動(dòng)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和展望》 貢俊 黃蘇融
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