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(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流產(chǎn)業(yè)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車的主要零部件，承擔(dān)著新能源汽車在節(jié)能減排、降耗、增效等關(guān)鍵指標(biāo)，也是新能源汽車的三大核心系統(tǒng)之一?；诖?，本文以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，通過比較幾種常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在新能源汽車上的設(shè)計(jì)及開發(fā)要點(diǎn)，并提出永磁同步電機(jī)在新能源汽車上應(yīng)用的重要性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 設(shè)計(jì)開發(fā)

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(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)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(tǒng)燃油汽車使環(huán)境污染日漸嚴(yán)重，這也成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大難題。新的可再生能源有太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能，目前已經(jīng)在研究應(yīng)用的新能源汽車有純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車，對(duì)于電能作為唯一能量來源的純電動(dòng)汽車來說已經(jīng)在應(yīng)用的有太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。

而驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車上的重要的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，那么對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)也提出了更高的要求，比如低速高轉(zhuǎn)矩及寬范圍的功率特性、高轉(zhuǎn)速、體積小、重量輕、安全性能好、壽命長(zhǎng)等。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車的三大核心部件之一，早期以直流電機(jī)為主，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用也越來越廣泛。目前應(yīng)用最多的是交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)，以下是關(guān)于幾種電動(dòng)機(jī)的對(duì)比。

從表1可以看出，目前新能源汽車上應(yīng)用最多的是交流異步、永磁同步和開關(guān)磁組電機(jī)，但是開關(guān)磁組電機(jī)目前的年產(chǎn)量只有2000臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前新能源汽車的生產(chǎn)需求，因此交流異步和永磁同步電機(jī)是目前新能源汽車上的主流產(chǎn)品。本文將從這幾種電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)及開發(fā)要點(diǎn)等方面來談一談在新能源汽車驅(qū)動(dòng)方面的利弊，以提出更加適合的一種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2 直流電機(jī)

2.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

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

2.2 直流電機(jī)的特點(diǎn)

在電動(dòng)機(jī)的發(fā)展史來看，世界上研發(fā)出的第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)就是直流電動(dòng)機(jī)，也是優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并存的，直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，且具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，適合新能源汽車所要求的高速低轉(zhuǎn)矩，低速高轉(zhuǎn)矩的要求；直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是，直流電動(dòng)機(jī)體積和質(zhì)量較大，比較繁重，而且在直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部還帶有換向器和電刷，不僅使直流電動(dòng)機(jī)在檢修方面增加了難度，而且在直流電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電火花造成電磁干擾，因此直流電動(dòng)機(jī)不適合在多塵潮濕、易燃易爆的環(huán)境中使用；此外，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，對(duì)于目前大部分企業(yè)來說在，在考慮成本的情況下，優(yōu)先選擇，低成本高質(zhì)量的產(chǎn)品，因此，目前直流電動(dòng)機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用處于劣勢(shì)階段，逐漸被淘汰。

2.3 直流電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)于勵(lì)磁繞組式的電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子沖片采用帶有齒部的結(jié)構(gòu)，并且對(duì)于槽型的設(shè)計(jì)需要增加槽口的寬度，利于銅繞組嵌入槽內(nèi)。除此之外，在生產(chǎn)上來講，轉(zhuǎn)子上帶有繞組，工藝性較為復(fù)雜，生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制有一定的難度，因此，生產(chǎn)成本增加，導(dǎo)致直流電機(jī)價(jià)格較高。

3 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又稱為交流異步電動(dòng)機(jī)，其中以特斯拉Model S為代表。特斯拉Model S所搭載的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)最大功率可達(dá)515KW（700Ps），轉(zhuǎn)速范圍為12000—20000r/min。

交流異步電機(jī)是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是目前使用量最大的一款電動(dòng)機(jī)，不管是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家電等都有使用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，這也是由交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)決定的。下面就從交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)及設(shè)計(jì)生產(chǎn)等方面談?wù)勗谛履茉雌嚿系膽?yīng)用。

3.1 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分可分為籠型和繞線型異步電動(dòng)機(jī)，安裝繞組相數(shù)分可分為三相和單相異步電動(dòng)機(jī)，目前在新能源汽車上應(yīng)用的主要為三相異步電動(dòng)機(jī)。

交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸、前后端蓋、軸承、位置傳感器、低壓線束和高壓動(dòng)力線束。定子主要由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)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(shè)計(jì)者的要求繞成相應(yīng)的匝數(shù)，然后崁入定子鐵芯的槽里。

轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子繞組組成，對(duì)于繞線型的交流異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組由銅導(dǎo)線繞制而成，并崁入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)；對(duì)于鼠籠型的交流異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子稱為鼠籠式轉(zhuǎn)子，主要通過轉(zhuǎn)子鐵芯在高溫下鑄鋁成型，那么轉(zhuǎn)子鐵芯的槽內(nèi)和兩邊都鑄有鋁，因此稱為鋁環(huán)。

3.2 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是目前企業(yè)內(nèi)日產(chǎn)量最高的一種電動(dòng)機(jī)，也是應(yīng)用最廣泛的一種電動(dòng)機(jī)，其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是小型輕量化、易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過 10000r/min的高速旋轉(zhuǎn)、高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩運(yùn)行效率高、低速時(shí)有高轉(zhuǎn)矩輸出，以及具有較寬的速度調(diào)節(jié)范圍，交流感應(yīng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以在大范圍內(nèi)調(diào)整，能在加速或爬坡時(shí)短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)制提高輸出扭矩。

交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)由于電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)低，運(yùn)行時(shí)必須從電網(wǎng)吸收無功電流建立磁場(chǎng)；交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜，易受電機(jī)參數(shù)及負(fù)載變化的影響；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不易散熱，調(diào)速性能差，調(diào)速范圍窄等。

3.3 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)涵蓋的交流電機(jī)系統(tǒng)包括異步電機(jī)及對(duì)應(yīng)的控制器，目前在新能源汽車上應(yīng)用最多的交流電機(jī)是三相異步電動(dòng)機(jī)，從三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)上來看，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，售后故障低。

首先，在三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需要根據(jù)新能源汽車上的安裝位置及安裝空間而定，對(duì)轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)尤其要考慮到電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸，根據(jù)實(shí)際安裝尺寸和安裝方式選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)子軸的直徑和尺寸，此外電動(dòng)機(jī)在新能源汽車上的安裝也決定了三相異步電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片的選擇和機(jī)殼的外徑。

其次，在三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)上，需要考慮新能源汽車的主要輸出轉(zhuǎn)矩和功率，以及對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，根據(jù)其性能要求，不斷地設(shè)計(jì)和優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的電磁性能，找到合理的最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，比如匝數(shù)、線徑、鐵芯厚度、鋁環(huán)高度等關(guān)鍵參數(shù)。

最后，電動(dòng)機(jī)的額外性能的設(shè)計(jì)也是必不可少的，主要體現(xiàn)到電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)控制器的配合，應(yīng)用到新能源汽車上的電動(dòng)機(jī)需達(dá)到無極調(diào)速，因此，可將電動(dòng)機(jī)與控制器進(jìn)行連接仿真模擬其主要性能，以判斷電動(dòng)機(jī)的真實(shí)工作狀態(tài)。

經(jīng)過幾輪的優(yōu)化和測(cè)試調(diào)整，最后找出最優(yōu)方案，以滿足新能源汽車上對(duì)于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的性能要求。

4 永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電機(jī)是目前電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一款主流產(chǎn)品。目前在新能源汽車上應(yīng)用做多的是永磁同步電動(dòng)機(jī)，其中以豐田Prius系列為代表。豐田公司在1997年便研發(fā)出世界上第一款成熟的混合動(dòng)力汽車——Prius，迄今為止已發(fā)展到第4代，第4代Prius電機(jī)采用了分段線圈式定子，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)也做了改變，電機(jī)的峰值為53KW，峰值轉(zhuǎn)矩為163N.m，最高轉(zhuǎn)速更是達(dá)到了17000r/min。

4.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)在外形上和交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類似，都是由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和靜止的定子組成。但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別較大。目前永磁同步電機(jī)定子大多采用集中繞組，生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度高，切集中繞組效率較高。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子沖片的設(shè)計(jì)槽型較大，槽口較小，以滿足生產(chǎn)的要求。

目前，永磁同步電機(jī)可采用內(nèi)置式和外置式兩種控制板，帶有內(nèi)置傳感器的永磁同步電機(jī)大多采用內(nèi)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(duì)靜電要求較高，尤其是在生產(chǎn)過程中，車間、生產(chǎn)線、員工、地面等都采用防靜電措施。

4.2 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)

永磁電動(dòng)機(jī)中以永磁同步電動(dòng)機(jī)為代表，是利用永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的同步電機(jī)，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。但是永磁同步電動(dòng)在新能源汽車上的應(yīng)用也有個(gè)其優(yōu)缺點(diǎn)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。

2）控制電源頻率就能控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3）較硬的機(jī)械特性，適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運(yùn)行。

4）永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，無需勵(lì)磁，因此電動(dòng)機(jī)可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步 運(yùn)行，調(diào)速范圍寬。

5）不需要無功勵(lì)磁電流，因而功率因數(shù)高，定子電流和定子銅耗小，效率高。

6）體積小質(zhì)量輕。

7）結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)：

1）由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場(chǎng)，這會(huì)增大定子的電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅耗。

2）永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁鋼價(jià)格較高，體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、功率密度高（可達(dá)1Kw/kg），轉(zhuǎn)矩慣量比大、過載能力強(qiáng)，尤其低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大，適合電動(dòng)汽車的起動(dòng)加速。

4.3 永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)

對(duì)于永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)電機(jī)的工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)指標(biāo)而定，從永磁電機(jī)的定子、繞組、永磁體結(jié)構(gòu)等方面檢查分析，并采用Ansys Maxwell有限元分析軟件建立電動(dòng)機(jī)的三維有限元分析模型，對(duì)電動(dòng)機(jī)的電磁性能進(jìn)行模擬仿真其性能，以判斷設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性（圖1）。最后根據(jù)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)制作出樣機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證方案的合理性。

在永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮電機(jī)的電磁參數(shù)以及電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)，因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體激勵(lì)產(chǎn)生，因此電機(jī)性能會(huì)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(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)上采用內(nèi)嵌磁鋼塊且磁極表面對(duì)稱分布的方式，不僅使電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形得到優(yōu)化，而且有效的改善了電機(jī)直槽轉(zhuǎn)矩大的弊端和負(fù)載力矩?cái)_動(dòng)的影響。其磁通方向的選擇尤其重要，根據(jù)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(dòng)機(jī)的內(nèi)部磁路的不同，對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能影響較大。具體到實(shí)踐中，還要綜合考慮電機(jī)的電感參數(shù)、漏磁系數(shù)以及永磁體的用量和材料等因素，不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使電機(jī)的性能參數(shù)不同，因此，設(shè)計(jì)時(shí)多采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)，以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

其次，定子和轉(zhuǎn)子沖片的設(shè)計(jì)也尤為重要，定子槽一般選擇12槽或24槽結(jié)構(gòu)，此外還要考慮定子沖片的槽型結(jié)構(gòu)，考慮到生產(chǎn)實(shí)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(fù)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(jié)合其機(jī)械強(qiáng)度和工藝限制選擇合理的齒軛和齒寬（圖2）?；谛履茉雌囌w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)必須明確計(jì)算出電機(jī)功率輸出能力與主要尺寸之間的關(guān)系。

最后，對(duì)于永磁式的電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)子上帶有永磁體，在轉(zhuǎn)子沖片的設(shè)計(jì)過程中分為表貼式和嵌入式?？紤]到實(shí)踐中，新能源汽車需要低速高轉(zhuǎn)矩的性能，永磁同步電機(jī)采用嵌入式的轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子沖片的設(shè)計(jì)方面，需要在轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)部開槽，并采用0.3-1.5mm厚的硅鋼片疊壓而成；此外，對(duì)永磁體的尺寸設(shè)計(jì)尤其重要，主要包括磁化方向、徑向長(zhǎng)度、軸向長(zhǎng)度、剩磁等。在中國(guó)永磁同步電機(jī)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(jī)的發(fā)展帶來得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此，我國(guó)的電動(dòng)汽車多采用永磁同步電動(dòng)機(jī)。

5 結(jié)語

綜上所述，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)用廣泛，所涉及電機(jī)類型較多，從電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析，目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于新能源汽車上，而未來隨著開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，將可能成為新能源汽車上的主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)。隨著政府的大力支持，新能源汽車技術(shù)不斷進(jìn)步，未來新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也將朝著永磁化、數(shù)字化和集成化的方向發(fā)展。

基金項(xiàng)目：一種無刷直流電機(jī)的研究與應(yīng)用；項(xiàng)目編號(hào)：KJ2020A1187。

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