新能源汽車驅動電機選型的研究與探索

陳香玉

摘 要：隨著不可再生能源的日漸枯竭，新能源汽車成為目前世界上汽車產業發展的主流產業。驅動電機作為新能源汽車的主要零部件，承擔著新能源汽車在節能減排、降耗、增效等關鍵指標，也是新能源汽車的三大核心系統之一。基于此，本文以驅動電機為研究對象，通過比較幾種常用的驅動電機在新能源汽車上的設計及開發要點，并提出永磁同步電機在新能源汽車上應用的重要性。

關鍵詞：新能源汽車 驅動電機 設計開發

Abstract：With the depletion of non-renewable energy， new energy vehicles have become the mainstream industry in the development of the world's automobile industry. As the main component of new energy vehicles， the drive motor bears the key indicators of energy conservation and emission reduction， consumption reduction and efficiency increase of new energy vehicles， and is also one of the three core systems of new energy vehicles. Based on this， this paper takes drive motors as the research object， compares the design and development points of several commonly used drive motors in new energy vehicles， and puts forward the importance of permanent magnet synchronous motors in new energy vehicles.

Key words：new energy vehicles， drive motors， design and development

1 引言

隨著國民經濟的快速發展，汽車的使用量日漸攀升，石油作為一種不可再生資源，也是日漸枯竭，而傳統燃油汽車使環境污染日漸嚴重，這也成為制約經濟發展的最大難題。新的可再生能源有太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能，目前已經在研究應用的新能源汽車有純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車，對于電能作為唯一能量來源的純電動汽車來說已經在應用的有太陽能發電、風力發電等。

而驅動電機作為新能源汽車上的重要的驅動系統，那么對驅動電機也提出了更高的要求，比如低速高轉矩及寬范圍的功率特性、高轉速、體積小、重量輕、安全性能好、壽命長等。驅動電機作為新能源汽車的三大核心部件之一，早期以直流電機為主，隨著技術的不斷進步，交流感應電機、永磁同步電機、開關磁阻電機應用也越來越廣泛。目前應用最多的是交流感應電機、永磁同步電機，以下是關于幾種電動機的對比。

從表1可以看出，目前新能源汽車上應用最多的是交流異步、永磁同步和開關磁組電機，但是開關磁組電機目前的年產量只有2000臺，遠遠不能滿足當前新能源汽車的生產需求，因此交流異步和永磁同步電機是目前新能源汽車上的主流產品。本文將從這幾種電動機的結構、設計及開發要點等方面來談一談在新能源汽車驅動方面的利弊，以提出更加適合的一種電動機驅動系統。

2 直流電機

2.1 直流電機的結構

直流電動機按照勵磁方式分可分為勵磁式和永磁式的電動機。直流電動機主要由靜止的定子（勵磁）和旋轉的轉子（電樞）兩部分組成。定子和轉子之間的間隙稱為氣隙。定子主要由主磁極、換向器、機座、電刷裝置組成。主磁極的作用是建立主磁場。主磁極由定子鐵芯和定子繞組組成。

2.2 直流電機的特點

在電動機的發展史來看，世界上研發出的第一臺電動機就是直流電動機，也是優點和缺點并存的，直流電動機的優點是，直流電動機結構簡單，維護方便，且具有優良的電磁轉矩控制特性，適合新能源汽車所要求的高速低轉矩，低速高轉矩的要求；直流電動機的缺點是，直流電動機體積和質量較大，比較繁重，而且在直流電動機內部還帶有換向器和電刷，不僅使直流電動機在檢修方面增加了難度，而且在直流電動機高速運轉的時候會產生電火花造成電磁干擾，因此直流電動機不適合在多塵潮濕、易燃易爆的環境中使用；此外，直流電動機結構復雜、成本高，對于目前大部分企業來說在，在考慮成本的情況下，優先選擇，低成本高質量的產品，因此，目前直流電動機在新能源汽車上的應用處于劣勢階段，逐漸被淘汰。

2.3 直流電機的設計要點

對于勵磁繞組式的電動機，轉子沖片采用帶有齒部的結構，并且對于槽型的設計需要增加槽口的寬度，利于銅繞組嵌入槽內。除此之外，在生產上來講，轉子上帶有繞組，工藝性較為復雜，生產過程中的質量控制有一定的難度，因此，生產成本增加，導致直流電機價格較高。

3 交流感應電動機

交流感應電動機又稱為交流異步電動機，其中以特斯拉Model S為代表。特斯拉Model S所搭載的三相感應電動機最大功率可達515KW（700Ps），轉速范圍為12000—20000r/min。

交流異步電機是由氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩，從而實現電能向機械能的轉換。交流感應電動機是目前使用量最大的一款電動機，不管是工業、農業、家電等都有使用交流感應電動機，這也是由交流感應電動機的特點決定的。下面就從交流感應電動機的結構，特點及設計生產等方面談談在新能源汽車上的應用。

3.1 交流感應電動機的結構

交流感應電動機按照轉子結構分可分為籠型和繞線型異步電動機，安裝繞組相數分可分為三相和單相異步電動機，目前在新能源汽車上應用的主要為三相異步電動機。

交流異步電動機的結構主要包括定子、轉子、轉子軸、前后端蓋、軸承、位置傳感器、低壓線束和高壓動力線束。定子主要由定子鐵芯、定子繞組和機座組成，定子鐵芯是通過硅鋼片疊壓而成，定子繞組是通過聚酯薄膜圓銅線或者圓鋁線繞制而成，按照設計者的要求繞成相應的匝數，然后崁入定子鐵芯的槽里。

轉子主要由轉子鐵芯、轉軸、轉子繞組組成，對于繞線型的交流異步電動機，轉子繞組由銅導線繞制而成，并崁入轉子槽內；對于鼠籠型的交流異步電動機，其轉子稱為鼠籠式轉子，主要通過轉子鐵芯在高溫下鑄鋁成型，那么轉子鐵芯的槽內和兩邊都鑄有鋁，因此稱為鋁環。

3.2 交流感應電動機的特點

交流感應電動機是目前企業內日產量最高的一種電動機，也是應用最廣泛的一種電動機，其具有獨特的優勢。交流感應電動機的優點是小型輕量化、易實現轉速超過 10000r/min的高速旋轉、高轉速低轉矩運行效率高、低速時有高轉矩輸出，以及具有較寬的速度調節范圍，交流感應電機的輸出轉矩可以在大范圍內調整，能在加速或爬坡時短時間內強制提高輸出扭矩。

交流感應電動機的缺點由于電動機功率因數低，運行時必須從電網吸收無功電流建立磁場；交流感應電機控制系統復雜，易受電機參數及負載變化的影響；電動機轉子不易散熱，調速性能差，調速范圍窄等。

3.3 交流感應電動機的設計要點

新能源汽車電機驅動系統涵蓋的交流電機系統包括異步電機及對應的控制器，目前在新能源汽車上應用最多的交流電機是三相異步電動機，從三相異步電動機的設計上來看，其結構簡單，工藝性好，售后故障低。

首先，在三相異步電動機的結構設計上，需要根據新能源汽車上的安裝位置及安裝空間而定，對轉軸的設計尤其要考慮到電動機的安裝尺寸，根據實際安裝尺寸和安裝方式選擇相應的轉子軸的直徑和尺寸，此外電動機在新能源汽車上的安裝也決定了三相異步電動機定轉子沖片的選擇和機殼的外徑。

其次，在三相異步電動機的電磁設計上，需要考慮新能源汽車的主要輸出轉矩和功率，以及對轉速的要求，根據其性能要求，不斷地設計和優化電動機的電磁性能，找到合理的最優的設計方案，比如匝數、線徑、鐵芯厚度、鋁環高度等關鍵參數。

最后，電動機的額外性能的設計也是必不可少的，主要體現到電動機和電動機控制器的配合，應用到新能源汽車上的電動機需達到無極調速，因此，可將電動機與控制器進行連接仿真模擬其主要性能，以判斷電動機的真實工作狀態。

經過幾輪的優化和測試調整，最后找出最優方案，以滿足新能源汽車上對于驅動電動機的性能要求。

4 永磁同步電動機

永磁同步電機是目前電動機產業發展中的一款主流產品。目前在新能源汽車上應用做多的是永磁同步電動機，其中以豐田Prius系列為代表。豐田公司在1997年便研發出世界上第一款成熟的混合動力汽車——Prius，迄今為止已發展到第4代，第4代Prius電機采用了分段線圈式定子，轉子磁路結構也做了改變，電機的峰值為53KW，峰值轉矩為163N.m，最高轉速更是達到了17000r/min。

4.1 永磁同步電動機的結構

永磁同步電動機的結構在外形上和交流感應電動機類似，都是由旋轉的轉子和靜止的定子組成。但是其內部結構差別較大。目前永磁同步電機定子大多采用集中繞組，生產過程自動化程度高，切集中繞組效率較高。因此，永磁同步電動機的定子沖片的設計槽型較大，槽口較小，以滿足生產的要求。

目前，永磁同步電機可采用內置式和外置式兩種控制板，帶有內置傳感器的永磁同步電機大多采用內置式的控制板，但是因控制板要求精密，多采用電子元器件組成，因此對靜電要求較高，尤其是在生產過程中，車間、生產線、員工、地面等都采用防靜電措施。

4.2 永磁同步電機的特點

永磁電動機中以永磁同步電動機為代表，是利用永磁體建立勵磁磁場的同步電機，其定子產生旋轉磁場，轉子用永磁材料制成。但是永磁同步電動在新能源汽車上的應用也有個其優缺點。

永磁同步電動機的優點：

1）結構簡單、運行可靠。

2）控制電源頻率就能控制電動機的轉速。

3）較硬的機械特性，適合在負載轉矩變化較大的工況下運行。

4）永磁同步電動機的轉子為永久磁鐵，無需勵磁，因此電動機可以在很低的轉速下保持同步 運行，調速范圍寬。

5）不需要無功勵磁電流，因而功率因數高，定子電流和定子銅耗小，效率高。

6）體積小質量輕。

7）結構多樣化，應用范圍廣。

永磁同步電動機的缺點：

1）由于永磁同步電動機轉子為永磁體，無法調節，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機的銅耗。

2）永磁同步電動機的磁鋼價格較高，體積小、質量輕、轉動慣量小、功率密度高（可達1Kw/kg），轉矩慣量比大、過載能力強，尤其低轉速時輸出轉矩大，適合電動汽車的起動加速。

4.3 永磁同步電機的設計

對于永磁同步電機的設計主要針對電機的工作特點和設計指標而定，從永磁電機的定子、繞組、永磁體結構等方面檢查分析，并采用Ansys Maxwell有限元分析軟件建立電動機的三維有限元分析模型，對電動機的電磁性能進行模擬仿真其性能，以判斷設計參數的合理性（圖1）。最后根據電動機的設計參數制作出樣機，并進行試驗，以驗證方案的合理性。

在永磁同步電機的設計過程中，主要考慮電機的電磁參數以及電機結構相關的參數，因為永磁同步電機的磁場是由永磁體激勵產生，因此電機性能會隨著材料、形狀及加工工藝的變化而變化。

首先，在永磁同步電動機在轉子的設計上采用內嵌磁鋼塊且磁極表面對稱分布的方式，不僅使電動機的反電動勢波形得到優化，而且有效的改善了電機直槽轉矩大的弊端和負載力矩擾動的影響。其磁通方向的選擇尤其重要，根據磁通方向有徑向磁通和軸向磁通兩種。磁通方向不同也決定了電動機的內部磁路的不同，對電動機的性能影響較大。具體到實踐中，還要綜合考慮電機的電感參數、漏磁系數以及永磁體的用量和材料等因素，不同轉子磁路結構的設計使電機的性能參數不同，因此，設計時多采用內置式磁路結構，以提高電機的輸出轉矩。

其次，定子和轉子沖片的設計也尤為重要，定子槽一般選擇12槽或24槽結構，此外還要考慮定子沖片的槽型結構，考慮到生產實踐中，一般選擇平底槽。首先要滿足定子繞組線圈的電流密度和熱負荷，其次槽滿率盡量控制在60%以下，要綜合考慮其工藝的合理性，最后結合其機械強度和工藝限制選擇合理的齒軛和齒寬（圖2）。基于新能源汽車整體設計結構的現狀，永磁同步電機在設計時必須明確計算出電機功率輸出能力與主要尺寸之間的關系。

最后，對于永磁式的電動機來說，轉子上帶有永磁體，在轉子沖片的設計過程中分為表貼式和嵌入式。考慮到實踐中，新能源汽車需要低速高轉矩的性能，永磁同步電機采用嵌入式的轉子，在轉子沖片的設計方面，需要在轉子沖片內部開槽，并采用0.3-1.5mm厚的硅鋼片疊壓而成；此外，對永磁體的尺寸設計尤其重要，主要包括磁化方向、徑向長度、軸向長度、剩磁等。在中國永磁同步電機的研究也得益于豐富的稀土材料，天然的稀土材料給永磁同步電機的發展帶來得天獨厚的優勢，因此，我國的電動汽車多采用永磁同步電動機。

5 結語

綜上所述，新能源汽車驅動電機系統的運用廣泛，所涉及電機類型較多，從電動機的結構、特點和設計方面進行分析，目前，永磁同步電動機廣泛應用于新能源汽車上，而未來隨著開關磁阻電機技術的不斷進步和創新，將可能成為新能源汽車上的主要驅動電機。隨著政府的大力支持，新能源汽車技術不斷進步，未來新能源汽車驅動系統也將朝著永磁化、數字化和集成化的方向發展。

基金項目：一種無刷直流電機的研究與應用；項目編號：KJ2020A1187。

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