史智理，侯飛躍

淺談新能源汽車驅(qū)動電機(jī)

史智理，侯飛躍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車的核心部件，汽車的最高車速、加速時間、爬坡能力等整車性能與驅(qū)動電機(jī)密不可分。文章以永磁同步電機(jī)為例闡述了驅(qū)動電機(jī)的基本特性、控制系統(tǒng)及基本構(gòu)造等方面內(nèi)容。

新能源汽車；驅(qū)動電機(jī)；電機(jī)控制器；永磁同步電機(jī)

引言

伴隨著地球環(huán)境污染的日益加劇和石油等傳統(tǒng)能源的逐漸匱乏，對于新能源汽車的研究已成為大勢所趨，在新能源汽車中主要包含燃?xì)馄?、燃料電池電動汽車、純電動汽車、氫能源汽車、太陽能汽車、混合動力汽車、增程式電動汽車等。電動汽車是新能源汽車的主要?gòu)成部分，以驅(qū)動電機(jī)為基礎(chǔ)，在電機(jī)控制器的控制下，電能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，代替發(fā)動機(jī)來驅(qū)動車輛行駛，或者是以電動機(jī)作為主要的驅(qū)動裝置，并且把發(fā)動機(jī)作為輔助驅(qū)動，來達(dá)到具有一定環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性的目的。驅(qū)動電機(jī)是其核心部件，下面將對驅(qū)動電機(jī)從基本特性、基本構(gòu)造、控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行基本介紹。

1 驅(qū)動電機(jī)基本特性

驅(qū)動電機(jī)：被應(yīng)用在電動汽車上，用來驅(qū)動車輪進(jìn)行運(yùn)動的電機(jī)?；驹硎峭ㄟ^電磁感應(yīng)，實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或傳遞。

為滿足汽車行駛時的舒適性、經(jīng)濟(jì)性、動力性、續(xù)航里程及性價比等性能要求，車輛用電動機(jī)與工業(yè)用電動機(jī)有著顯著的區(qū)別，具體如下：

表1 車輛用電動機(jī)與工業(yè)用電動機(jī)區(qū)別

因此車用電機(jī)的基本特性如下：

（1）體積小，質(zhì)量輕。功率轉(zhuǎn)矩密度大

轉(zhuǎn)矩密度、功率密度分別是指最大轉(zhuǎn)矩體積比和最大功率體積比。在滿足機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能采取鋁合金等輕量化材料，以減少自重；控制器等元件也應(yīng)該盡可能集成，以減少體積。

（2）效率高，高效區(qū)域廣

單次充電后應(yīng)有較高的行駛里程，且在整個行駛過程當(dāng)中能適應(yīng)較復(fù)雜路況及行駛方式，并且在較低負(fù)荷時也應(yīng)具有較高的工作效率，即高效工作區(qū)域應(yīng)該較寬廣。

（3）具有較大的起動轉(zhuǎn)矩以及較寬廣的調(diào)速范圍

為了適應(yīng)車輛頻繁的起動、加速、勻速行駛、減速、負(fù)載、負(fù)載爬坡、超車、剎車等復(fù)合工況所需要的轉(zhuǎn)矩和功率，以減輕駕駛員的人工作業(yè)強(qiáng)度，提升駕駛作業(yè)的舒適性，并且達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)汽車具有同樣的控制響應(yīng)性能，因此，電動機(jī)必須具備自動調(diào)速特性。

（4）高安全性

為了減小高壓部分的工作電流，減小電機(jī)和導(dǎo)線尺寸，降低逆變器的成本并提高能量轉(zhuǎn)換效率，在國標(biāo)允許的安全范圍內(nèi)，應(yīng)該盡可能做到采用高壓電進(jìn)行輸出，因此，驅(qū)動電機(jī)和電池的工作電壓相對較高。

（5）能量轉(zhuǎn)化

能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化成機(jī)械能，也可對機(jī)械能進(jìn)行回收再利用，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

2 驅(qū)動電機(jī)分類

圖1 驅(qū)動電機(jī)分類

目前常用的電機(jī)為無刷直流電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)、鼠籠式異步電動機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)。常見四種電機(jī)性能對比如表2所示。

綜合各項對比，目前交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)在電動車上的應(yīng)用較為廣泛。下面著重論述永磁同步電機(jī)。

3 永磁同步電機(jī)構(gòu)造

由永磁體勵磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場的同步電機(jī)被稱為永磁同步電機(jī)。永磁體作為轉(zhuǎn)子部分來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下通過電樞反應(yīng)，感應(yīng)來產(chǎn)生三相對稱電流。將轉(zhuǎn)子的機(jī)械能（動能）轉(zhuǎn)化為電能，永磁同步電機(jī)被當(dāng)做發(fā)電機(jī)（G）來使用；由于三相定子在空間位置上相差120，當(dāng)在定子側(cè)輸入三相對稱電流時，三相定子電流會在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的磁場中受到了電磁力作用產(chǎn)生運(yùn)動，此時電能被轉(zhuǎn)化為動能，永磁同步電機(jī)可作電動機(jī)（M）使用。

表2 常見四種電機(jī)性能對比表

一般將定子、轉(zhuǎn)子、端蓋以及各傳感器等部件進(jìn)行分裝，形成永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與一般普通的感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)極為相似，但永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分與其它電機(jī)有著極為明顯的差異——在轉(zhuǎn)子上有質(zhì)量較為優(yōu)良的永磁體磁極。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安放位置的不同，永磁同步電機(jī)一般分為三大類：面貼式、內(nèi)嵌式和插入式。

定子：定子主要由鐵心、線圈組成；定子鐵心由沖片疊壓而成；漆包線繞制成線圈，嵌入鐵心槽內(nèi)，再進(jìn)行絕緣處理；將絕緣處理后的鐵心套入機(jī)殼得到定子。

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子由鐵心、磁鋼、軸壓裝而成。

圖2 永磁同步電機(jī)構(gòu)造

磁鋼（NdFeB）：電機(jī)磁通由磁鋼提供，對電機(jī)性能影響最大；釹鐵硼磁體由粉末冶金法制成，是目前磁性能最高的磁性材料；優(yōu)點是高抗退磁性、高性價比，其缺點是溫度依賴性比較強(qiáng)，耐腐蝕性能比較弱，需適當(dāng)涂層或電鍍處理。

機(jī)座：由于電機(jī)功率大、體積小，因此發(fā)熱量大，為便于散熱，機(jī)座內(nèi)含冷卻水道。常見水道形式如下：

（1）軸向水道（Z字型）

冷卻水道拐彎處180度的方向很容易造成較大的能量損失，需要提供較大的入口水壓。

（2）周向水道（螺旋管型）

為了使得電機(jī)的進(jìn)出口端溫度產(chǎn)生溫度梯度，形成溫度差，一般會將冷卻水的進(jìn)水口和出水口設(shè)計在電機(jī)的左右兩端。

圖3 機(jī)座冷卻水道形式

沖片：汽車電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍寬，由于定子鐵芯中磁通的變化率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，鐵芯中磁場交變頻率較高，而單位損耗與頻率的1.3~1.5次方成比例。由于需保持高功率密度，鐵芯中的磁通密度相同，電機(jī)高速電機(jī)的單位鐵耗將劇増。為降低鐵耗需采用低損耗的鐵芯材料。

4 電機(jī)控制系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點及其功能介紹:

（1）作為電動汽車的三大核心部件之一，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是車輛行駛的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對車輛的主要性能指標(biāo)起決定性作用，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)直接影響車輛的舒適性、動力性和經(jīng)濟(jì)性。

（2）采用三相交流永磁電動機(jī)(DM)、電機(jī)控制器(MCU)可調(diào)整輸出電流和電動機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)和電機(jī)控制器采用水冷方式防止溫度過高。

（3）整車控制器（VCU）要能夠根據(jù)駕駛員的意圖來發(fā)出各種操作指令，電機(jī)控制器完成響應(yīng)并進(jìn)行反饋，以便于實時調(diào)整驅(qū)動電機(jī)輸出，實現(xiàn)整車的各項驅(qū)動功能。

電機(jī)控制器（MCU）主要功能如下：

1）怠速行駛（蠕行）

2）控制電機(jī)正轉(zhuǎn)（前進(jìn)）

3）控制電機(jī)反轉(zhuǎn)（倒車）

4）能量回收（交流轉(zhuǎn)換直流）

對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)實時進(jìn)行狀態(tài)和故障檢測并進(jìn)行通信和保護(hù)以及故障反饋，是電機(jī)控制器的另一重要功能。

5 驅(qū)動電機(jī)發(fā)展趨勢

5.1 集成化

在電機(jī)方面：電機(jī)與發(fā)動機(jī)、變速器總成以及控制器等均可進(jìn)行最大程度的集成。

在控制器方面：會推出越來越多的電力電子總成（控制器、功率器件、傳感器、電源等），這也是未來批量化、通用化、模塊化發(fā)展的趨勢所在。

5.2 永磁化

采用矢量控制的驅(qū)動控制系統(tǒng)以便實現(xiàn)更加寬廣的調(diào)速范圍。永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度和功率密度高、比功率較大、效率高、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)的優(yōu)點。永磁化將成為電機(jī)發(fā)展的重要方向之一。

5.3 數(shù)字化

最大程度的使用軟件來代替硬件部分，實現(xiàn)通訊、診斷、保護(hù)、監(jiān)控等功能，控制系統(tǒng)數(shù)字化是電機(jī)驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

[1] 戴文進(jìn).電機(jī)設(shè)計[M].清華大學(xué)出版社,2010.

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[3] 郭建龍,陳世元.電動汽車驅(qū)動用電機(jī)的選擇[j].汽車電器,2007 (1):9-12.

[4] 胡虔生,胡敏強(qiáng).電機(jī)學(xué)[m].中國電力出版社,2008.

[5] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[m].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

Talking about New Energy Vehicle Drive Motor

Shi Zhili, Hou Feiyue

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Driving motor is the core component of new energy vehicle. The performance of the whole vehicle, such as maximum speed, acceleration time and climbing ability, is closely related to the driving motor. Taking permanent magnet synchronous motor as an example, this paper expounds the basic characteristics, control system and basic structure of the driving motor.

New energy vehicles; Drving motor; Electrical machine controller; Permanent magnet synchronous motor

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1671-7988(2019)24-19-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.007

史智理，就職于陜西重型汽車有限公司。