電動汽車常用驅動電機類型的特性及選型分析

林仕供

（福建尤迪電機制造有限公司，福建 福安 355000）

電動汽車常用驅動電機類型的特性及選型分析

林仕供

（福建尤迪電機制造有限公司，福建 福安 355000）

提出了新能源汽車驅動電機的幾種常用類型，分析了它們的優缺點和適用性，并具側重性介紹開關磁阻輪轂電機發展的可行性。

交流異步電機；正弦波永磁同步電機；方波永磁無刷直流電機；開關磁阻電機

CLC NO.:U463.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-46-03

引言

近代汽車工業蓬勃發展的100年是人類文明飛躍的100年，它促進了世界經濟的飛速發展。與此同時，汽車帶來的能源和環境壓力也迫使人類重新考慮未來汽車的發展方向。因此，新能源汽車的發展也成為全球汽車廠商討論的焦點，發展新能源汽車至少有以下兩個重要的意義：其一，可以疏解現在的能源和環境的壓力；其二，新能源汽車集電力電子、機械、信息、智能等高新技術于一體，被譽為21世紀改變人類生活的十大科技之首。所以新能源汽車的發展也必將帶動高新技術前所未有的新一輪技術革命。

1、電動汽車驅動電機的特點

新能源汽車研發的主要內容包括控制策略、儲能設備、驅動電源、驅動電機等，本文將就驅動電機的特性和研發及產業化策略做些探討。電動汽車所用驅動電機需要頻繁的啟動和停機，并要承受較大的加速度或減速度，而且要求低速大轉矩爬坡，高速小轉矩運行且運行速度范圍寬。所以其特性主要表現在：功率密度大、效率高、能提供大倍率額定轉矩、可控性好、穩態精度高、耐高溫高濕環境、耐振動等。目前交流異步電機、正弦波永磁同步電機、方波永磁無刷直流電機和開關磁阻電機等在電動汽車上均有不同程度的應用。

2、交流異步電機

交流異步電機主要由定子、轉子和它們之間的氣隙構成。對定子繞組通三相交流電源后，產生旋轉磁場并切割轉子，獲得轉矩。其主要結構如圖1所示。

交流異步電機的主要優點有：結構簡單、堅固耐用、成本低廉、電機本身運行可靠，低轉矩脈動，低噪聲，不需要

位置傳感器，轉速極限高。

交流異步電機的主要缺點有：采用矢量控制的電動汽車感應電動機在輕載及有限的恒功率工作區域運行時效率較低、控制復雜、能量回饋性能差。相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低。

鑒于以上綜合分析，同時由于異步電機矢量控制技術和調速技術相對比較成熟，使得異步電機驅動系統在新能源汽車領域具有明顯的優勢，因此被較早應用于電動汽車的驅動系統。交流異步電機具備相對較高的性價比，目前仍然是電動汽車驅動系統的主流產品。尤其在歐美國家應用廣泛。

3、正弦波永磁同步電機

永磁同步電動機是一種典型的機電一體化電機，主要由定子、永久磁鋼轉子、位置傳感器、電子換向電路等組成。通常所說的永磁同步電動機是正弦波永磁同步電動機，同一般同步電動機一樣，其定子繞組通常采用三相對稱的正弦分布繞組，或轉子采用特殊形狀的永磁體以確保氣隙磁密沿空間呈正弦分布。這樣，當電動機恒速運行時，定子三相繞組所感應的電勢則為正弦波。

正弦波永磁同步電機的主要優點有：永磁同步電機可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍，發展前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機中是強有力的競爭者，已在國內外多種電動車輛中獲得應用。用永磁材料代替傳統同步電動機的勵磁繞組，永磁同步電動機就能去掉傳統的電刷、滑環以及勵磁繞組的銅損。永磁同步電動機由于采用正弦交流電及無刷結構，也被稱為永磁無刷交流電動機或正弦永磁無刷電動機。由于這種電動機實質上是同步電動機，它們不經電磁轉換就可以通過正弦交流電或脈寬調制方式使其運行。當永磁體嵌在轉子表面時，由于永磁材料的磁導率與空氣相似，因而這種電動機的運行特性與非凸極同步電動機一樣。如果把永磁體埋入轉子的磁路中，凸極就會產生附加的磁阻轉矩，從而使電動機的恒功率區域有更寬的轉速范圍。如果有意利用轉子的凸極，而去掉勵磁繞組或永磁體，就可得到同步磁阻電動機，其結果簡單，成本低廉。和交流異步電機一樣，永磁同步電動機通常也采用矢量控制方法以滿足電動汽車電動機驅動的高性能要求。

正弦波永磁同步電機的主要缺點有：永磁體的抗振、耐溫性能較差，永磁同步電動機所用稀土永磁材料成本較貴。

由于正弦波永磁同步電機本身的高能量密度與高效率，它在新能源汽車的應用領域與交流異步電機相比有較大的競爭優勢。近年來在電機工作者的推動下，永磁同步電機得到了較快的發展，且有逐步取代最常用的交流異步電機之勢，是一種很有發展前景的節能電機。

4、方波永磁無刷直流電機

通過改變永磁直流電動機定子和轉子的位置，就可得到永磁無刷直流電機。這種電機最明顯的好處就是去掉了電刷，從而避免了由電刷而引起的許多問題。另一個優點是能產生較大的轉矩，因為它的方波電流和磁場是垂直的。而且，這種無刷結構使電樞繞組具有更代表性的區域。由于通過整個結構的熱傳導有了改善，電負荷的增加可產生更高的功率密度。

方波永磁無刷直流電機的主要優點有：電機外特性好，非常符合電動車輛的負載特性，尤其是電機具有可貴的低速大轉矩特性，能夠提供大的起動轉矩，滿足車輛的加速要求；速度范圍寬，電機可以在低中高大速度范圍內運行，而有刷電機由于受機械換向的影響，電機只能在中低速下運行；電機效率高，尤其是在輕載車況下，電機仍能保持較高的效率，這對珍貴的電池能量是很重要的；過載能力強，這種電機比Y系列電動機可提高過載能力2倍以上，滿足車輛的突起堵轉需要；再生制動效果好，因電機轉子具有很高的永久磁場，在汽車下坡或制動時電機可完全進入發電機狀態，給電池充電，同時起到電制動作用，減輕機械剎車負擔；電機體積小、重量輕、比功率大、可有效地減輕重量、節省空間；電機無機械換向器，采用全封閉式結構，防止塵土進入電機內部，可靠性高；電機控制系統比異步電機簡單。

方波永磁無刷直流電機的主要缺點有：電機本體要比交流電機復雜、電機控制器比有刷直流電機復雜。

目前此種電機主要應用于小型轎車。

5、開關磁阻電機

開關磁阻電機是一種新型的機電一體化電動機，其主要特點是電機結構緊湊牢固，適合于高速運行，并且驅動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉速范圍內效率都比較高，而且可以方便地實現四象限控制。這些特點使開關磁阻電機驅動系統很適合電動車輛的各種工況下運行，是電動車輛中極具有潛力的機種。

開關磁阻電機的主要優點有：電機結構簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉速；定子線圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環境；損耗主要產生在定子，電機易于冷卻；轉子無永磁體，可允許有較高的溫升；轉矩方向與電流方向無關，從而可最大限度簡化功率變換器，降低系統成本；功率變換器不會出現直通故障，可靠性高；起動轉矩大，低速性能好，無感應電動機在起動時所出現的沖擊電流現象；調速范圍寬，控制靈活，易于實現各種特殊要求的轉矩-速度特性；在寬廣的轉速和功率范圍內都具有高效率；能四象限運行，具有較強的再生制動能力。

開關磁阻電機的主要缺點有：由于其磁極端部的嚴重磁飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應，要求非常精準，使其設計和控制非常困難；轉矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點是要使用位置傳感器，增加了結構復雜性，降低了可靠性。

在驅動電機的選用方面，歐美國家趨向于選用交流異步電機，日本趨向于選用永磁電機。而永磁電機的永磁材料是稀有資源，價格昂貴，是一種不可逆材料，和石油一樣，屬于不可回收的燃燒性資源，日本現在也在改變策略，尋求更好的汽車驅動電機新方案，如交流異步電機和開關磁阻電機，其中開關磁阻電機的有效材料最小，如銅材和鋼材，沒有交流異步電機的鋁籠條，所以現階段很多廠家又重新回到開關磁阻電機上的研發上，并改進電機性能，克服開關磁阻電機不良的低速脈動現象。

6、開關磁阻輪轂電機

開關磁阻輪轂電機屬于將開關磁阻電機原理運用于輪轂電機領域，它直接安裝于汽車輪轂上，分為內轉子和外轉子兩種結構，如圖2和圖3所示。外轉子結構的電機直接用電機的外轉子驅動汽車輪子，內轉子結構的電機需經行星減速齒輪轉換成外圓驅動汽車輪子。

研發開關磁阻輪轂電機一般要解決如下的問題：克服開關磁阻低速脈動的現象，主要是通過改變電機本體（如雙凸極形狀的變化）和改善控制器（如輸出波形和控制策略）來完成的，可以通過多步換相來改善驅動電源的連續性；增加系統控制器的可靠性以適應車況要求，采用備用控制系統方案，稱為雙余度控制系統；簡化電機本體結構，內置線圈作為傳感器，減小因安裝位置傳感器的軸向長度。

開關磁阻輪轂電機用外轉子來直接驅動，可大大提高系統效率和提高系統的可靠性。

7、電機類型選擇概述

電動汽車驅動電機選型的關鍵原則是電動機的機械特性。以上所介紹的各種電機都可以用T-n和P-n曲線來表示，作為選型的參考和依據。同時參考電動車的驅動系統額定電壓、額定轉速、額定功率和額定轉矩的需求，綜合考慮所選取電機的類型。每種電機都有它一定的適用性，還應從控制策略、使用車型、電機的材料來源和性價比等多個角度來理解和考慮電機類型的選用。沒有絕對性，以輕便、可靠、節能為原則，以性價比為導向，以容易實現智能化控制為終極目標，揚長避短，不宜盲目模仿。現在各種類型的驅動電機的生產都在國內外并存，并且顯示各自的優越性。

[1] 羅建武.開關磁阻輪轂電機驅動系統的研究【D】。華中科技大學，2006.

[2] 謝建秋.輪轂電機電動汽車控制系統技術方案探討。南昌摩托車質量監督檢驗所，2008.

Characteristics and selection of motor electric vehicle used to drive

Lin Shigong
（Fujian UDE Motor Manufacturing Co., Ltd., Fujian Fuan 355000）

Several commonly used types of new energy vehicles drive motor, analyzes the advantages and disadvantages and the applicability of them, with emphasis introduced the feasibility of switched reluctance motor development.

AC asynchronous motor；Permanent magnet synchronous motor；Fang Boyong magnet brushless DC motor；Switched reluctance motor

U463.6

A

1671-7988(2014)12-46-03

林仕供，高級工程師，就職于福建尤迪電機制造有限公司，主要從事電機設計與技術管理。