劉麥

(海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南省智能電網(wǎng)裝備工程研究中心，海南?？?571127)

0 引言

汽車(chē)保有量的逐年增長(zhǎng)，來(lái)自能源與環(huán)境污染方面的壓力也日益加重，而新能源汽車(chē)很好地解決了這一問(wèn)題，作為新能源汽車(chē)的發(fā)展重頭，純電動(dòng)汽車(chē)有著廣泛的發(fā)展和應(yīng)用空間。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)三大關(guān)鍵技術(shù)之一，目前適合于電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)三大類(lèi)。交流異步電機(jī)的抗環(huán)境能力、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲要優(yōu)于其他電機(jī)，維護(hù)方便，但是高效性、調(diào)速性能、散熱性能稍差，啟動(dòng)和過(guò)載能力一般，主要以美國(guó)車(chē)企以及大型高速電動(dòng)汽車(chē)使用為多；永磁同步電機(jī)的損耗小、效率高、功率密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、調(diào)速性能好，但是永磁材料受環(huán)境影響易退磁，成本受稀土材料價(jià)格的影響，本體經(jīng)濟(jì)性稍差，調(diào)速范圍有限，低速運(yùn)行時(shí)損耗大，中國(guó)、日本等國(guó)家電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)以永磁同步電機(jī)為主；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性、本體經(jīng)濟(jì)性好，但是噪聲震動(dòng)大、舒適性差[1-2]。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)工信部整車(chē)出廠合格證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)2016年電動(dòng)汽車(chē)配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝機(jī)量達(dá)59.5萬(wàn)臺(tái)，永磁同步電機(jī)超過(guò)45萬(wàn)臺(tái)，占比77%；交流異步電機(jī)超過(guò)14萬(wàn)臺(tái)，占比22%。2017年配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝機(jī)量達(dá)87.42萬(wàn)臺(tái)，永磁同步電機(jī)裝機(jī)量68萬(wàn)臺(tái)，占比超過(guò)77%，交流異步電機(jī)裝機(jī)量近19萬(wàn)臺(tái)，占比21.4%[3]。2018年配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝機(jī)量達(dá)133.5萬(wàn)臺(tái)，其中永磁同步電機(jī)裝機(jī)量121.2萬(wàn)臺(tái)，占比達(dá)90.79%[4]。2019年配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝機(jī)量超過(guò)124萬(wàn)臺(tái)，永磁同步電機(jī)達(dá)120萬(wàn)臺(tái)，占比達(dá)到97.51%[5]。從數(shù)據(jù)可以看出，永磁同步電機(jī)的占比逐年增加，成為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展主力。

電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)行業(yè)主要由傳統(tǒng)整車(chē)及零部件企業(yè)、其他領(lǐng)域電機(jī)企業(yè)、專(zhuān)門(mén)針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)成立的電機(jī)企業(yè)三大類(lèi)構(gòu)成，2018年和2019年上半年電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)裝機(jī)量十大企業(yè)見(jiàn)表1[6]和表2[7]。

表1 2018年電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)出貨量十大企業(yè)

表2 2019年上半年新能源汽車(chē)電機(jī)裝機(jī)量十大企業(yè)

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 永磁同步電機(jī)

豐田prius電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被認(rèn)為是業(yè)內(nèi)前沿技術(shù)的標(biāo)桿，2017年推出的全新變速箱搭配的電機(jī)稱(chēng)為Prius 2017或Prius IV，代表了豐田對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最新研究與技術(shù)應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)為一個(gè)8極48槽的永磁同步電機(jī)，文中以Prius IV來(lái)分析永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。相比Prius Ⅲ、Prius Ⅳ的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3[8-9]。

表3 Prius Ⅳ和Prius Ⅲ重要參數(shù)對(duì)比

從表3可知，Prius Ⅳ的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩有所下降，但是最大速度卻明顯提升。高速化使得功率密度進(jìn)一步提高，對(duì)比Prius Ⅲ、Prius Ⅳ的體積功率密度提高了18%。Prius IV電機(jī)的定子直徑首次實(shí)現(xiàn)了下降，降低了20%，整體結(jié)構(gòu)上更為緊湊，體積更小。綜上可知，高速化、高功率密度、緊湊化是永磁同步電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

Prius磁極結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Prius磁極結(jié)構(gòu)

核心技術(shù)發(fā)展上，豐田公司主要在磁極結(jié)構(gòu)、定子繞組和稀土材料上深入研究。Prius IV磁極結(jié)構(gòu)變化很大，采用V一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。每一個(gè)槽內(nèi)的磁鋼在軸向分為兩段，抑制高速時(shí)磁鋼的渦流損耗，且增設(shè)了兩個(gè)磁橋，弱磁能力增加，以提高運(yùn)行速度。同時(shí)，Prius IV通過(guò)優(yōu)化的磁路設(shè)計(jì)，氣隙磁密和反電動(dòng)勢(shì)更接近正弦波，減小了諧波，降低磁損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。定子繞組呈扁平狀，進(jìn)一步提升槽滿(mǎn)率，采用發(fā)卡繞組方式，設(shè)計(jì)使用了高速扁線(xiàn)繞組成型技術(shù)來(lái)降低高頻集膚效應(yīng)，優(yōu)化扁線(xiàn)絕緣材料，更薄、耐電壓級(jí)別更高。永磁材料上，深入研發(fā)輕稀土少稀土技術(shù)，新的無(wú)Dy鏑稀土永磁技術(shù)，大幅度降低稀土的用量，從而降低了電機(jī)成本[1]。

2.2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組和永磁體等，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、散熱性能好、制造和維護(hù)成本低，且可靠性能和調(diào)速性能好、效率高、體積和質(zhì)量小，諸多優(yōu)勢(shì)使得它作為一種新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，各主機(jī)廠和電機(jī)企業(yè)嘗試在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)應(yīng)用。然而，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的本體設(shè)計(jì)和控制要求較高，受電磁徑向力作用，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，使得噪聲和振動(dòng)較大，對(duì)于追求舒適性的汽車(chē)而言，是將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中急需解決的問(wèn)題。

美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究工作比較多。日本學(xué)者千葉明團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行性能的新型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)矩密度和效率能夠達(dá)到永磁同步機(jī)的要求，應(yīng)用于普銳斯混合動(dòng)力車(chē)；捷豹公司發(fā)布了一款采用兩臺(tái)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的混合動(dòng)力車(chē)C-X75；路虎汽車(chē)公司也在車(chē)展上發(fā)布了一臺(tái)采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)[2]。而國(guó)內(nèi)汽車(chē)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究與應(yīng)用投入相對(duì)薄弱，實(shí)際裝配應(yīng)用較少。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)目前還處于進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)、測(cè)試試驗(yàn)階段，需要不斷地優(yōu)化、完善和提高，在結(jié)構(gòu)、材料、性能、成本等方面的諸多優(yōu)勢(shì)，使其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展，但仍未得到大量市場(chǎng)應(yīng)用，輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題是限制其發(fā)展應(yīng)用的最大的制約因素，目前開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的主要研究方向即為解決這兩大問(wèn)題。

2.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)

目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用集中式驅(qū)動(dòng)方式，分為一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)或前后各一驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩種形式。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式最早由保時(shí)捷搭載到純電動(dòng)汽車(chē)上，是目前電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)方式的一個(gè)重要發(fā)展方向。國(guó)外對(duì)輪轂電機(jī)技術(shù)的研發(fā)投入較大，如英國(guó)Protean、日本豐田、NTN等企業(yè)，國(guó)內(nèi)研發(fā)輪轂電機(jī)的企業(yè)較少，且大多停留在理論開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)研究上，實(shí)際應(yīng)用較少。交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等都可用于開(kāi)發(fā)成輪轂電機(jī)，目前以永磁同步電機(jī)在輪轂電機(jī)上的研究和應(yīng)用較為廣泛。

輪轂電機(jī)作為電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，集成度高、動(dòng)力控制靈活獨(dú)立、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩控制精度高、車(chē)身設(shè)計(jì)自由度高、有利于實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的如自動(dòng)駕駛等運(yùn)動(dòng)控制策略[10]，是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有極大的應(yīng)用潛力。但是，電機(jī)在輪轂處，散熱性能不良，工作環(huán)境惡劣，振動(dòng)噪聲大，防水防塵要求高，汽車(chē)簧下質(zhì)量過(guò)大等都極大地限制了輪轂電機(jī)的應(yīng)用。以及輪轂電機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的高要求，分布式轉(zhuǎn)矩控制、防滑控制、車(chē)輛穩(wěn)定性和平順性控制等方面仍有大量需要解決的問(wèn)題[11]。

目前輪轂電機(jī)應(yīng)用范圍較小，隨著技術(shù)成熟度的提高，輪轂電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的一系列優(yōu)勢(shì)，特別是在智能控制方面的優(yōu)勢(shì)，使其必將成為電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)方式，將在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12]。

3 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展舉措

國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)面臨著和Tesla、豐田、寶馬等巨頭的競(jìng)爭(zhēng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)須在核心技術(shù)、制造工藝等方面追上巨頭公司，甚至做得更好才能長(zhǎng)久生存。

3.1 深入研究關(guān)鍵技術(shù)，勇于創(chuàng)新

目前國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)品與國(guó)外相比，在設(shè)計(jì)和制造工藝上都有較大的差距。國(guó)外在電機(jī)研發(fā)上的投入巨大，注重新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，特別是關(guān)鍵技術(shù)的研究。電機(jī)的可靠性高、故障率低、振動(dòng)噪聲性能好、效率不斷提高、壽命長(zhǎng)、體積小、質(zhì)量輕，是國(guó)外產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)企業(yè)目前處于學(xué)習(xí)、模仿、追趕的循環(huán)中，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上無(wú)法突破、制造工藝水平有待提升、產(chǎn)品性能存在差距、關(guān)鍵材料的質(zhì)量不能滿(mǎn)足要求，特別是一些高精度高要求的部件，如高轉(zhuǎn)速軸承、高性能硅鋼片等還高度依賴(lài)進(jìn)口。

國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)行業(yè)，需要學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，但也必須深入研究關(guān)鍵技術(shù)，加大新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的資金和人員投入，勇于創(chuàng)新，掌握核心技術(shù)才不被制約。發(fā)展過(guò)程中首先需要重視人才的培養(yǎng)，人才才是創(chuàng)新的根本；其次要尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)、保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)；再者，行業(yè)內(nèi)系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化，知識(shí)共享，共同發(fā)展，創(chuàng)造一個(gè)共贏的發(fā)展環(huán)境。

3.2 拒絕價(jià)格戰(zhàn)，尋求質(zhì)量和價(jià)格的平衡

電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)企業(yè)早期超過(guò)200家，競(jìng)爭(zhēng)激烈，外資電機(jī)企業(yè)又在加速布局，而近年受全球經(jīng)濟(jì)衰退和貿(mào)易戰(zhàn)的影響，需求量減少。有些電機(jī)企業(yè)出于企業(yè)發(fā)展需求，以低價(jià)位的策略，籠絡(luò)客戶(hù)資源、回收資金，從而主動(dòng)或者被動(dòng)地加入到價(jià)格戰(zhàn)中。價(jià)格戰(zhàn)減少了企業(yè)利潤(rùn)，而原材料、人工等成本的增加，又導(dǎo)致企業(yè)的凈利潤(rùn)進(jìn)一步被壓縮。低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致重心在于企業(yè)的生存上，無(wú)法投入更多做好產(chǎn)品。行業(yè)的良性發(fā)展，不能使得各企業(yè)處于價(jià)格戰(zhàn)中無(wú)法自拔，只關(guān)心降低成本，而應(yīng)首先考慮把產(chǎn)品做好，不停地提高性能指標(biāo)，迭代升級(jí)產(chǎn)品，做一流電機(jī)。在做好產(chǎn)品的基礎(chǔ)上降低成本，在質(zhì)量和成本之間尋找一個(gè)權(quán)衡，既有了做高質(zhì)量產(chǎn)品的能力，又在成本方面尋求出路，通過(guò)控制成本反方向刺激設(shè)計(jì)。

3.3 提高供應(yīng)商要求，和供應(yīng)商共同成長(zhǎng)

電機(jī)企業(yè)與供應(yīng)商之間是一個(gè)合作互利的關(guān)系，企業(yè)要維持運(yùn)轉(zhuǎn)，離不開(kāi)原材料、生產(chǎn)、物流等各個(gè)供應(yīng)商的支持。隨著企業(yè)的發(fā)展，對(duì)供應(yīng)商的需求量也會(huì)越來(lái)越大，需要整合調(diào)動(dòng)整個(gè)供應(yīng)鏈的資源，與供應(yīng)商之間充分協(xié)調(diào)合作，供應(yīng)商的重要性也就越發(fā)體現(xiàn)出來(lái)。電機(jī)企業(yè)在發(fā)展自身產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、成本控制方面，也需要合理選擇供應(yīng)商，在全球范圍內(nèi)挑選優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商，對(duì)供應(yīng)商提高要求。以長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，電機(jī)企業(yè)與供應(yīng)商之間的合作不能一味地要求降低成本，而是幫助供應(yīng)商解決問(wèn)題，和供應(yīng)商一起做好質(zhì)量提升，共同發(fā)展，共同前進(jìn)，從而形成真正意義上的共贏。優(yōu)質(zhì)的供應(yīng)商質(zhì)量管理，能讓企業(yè)的發(fā)展、效率進(jìn)一步提升。

4 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，其發(fā)展趨勢(shì)主要為集成化、智能化和數(shù)字化。驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型而言，目前電動(dòng)汽車(chē)以永磁同步電機(jī)為主，交流異步電機(jī)在我國(guó)公路使用的局限性使其未來(lái)市場(chǎng)應(yīng)用將逐漸減少，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由于振動(dòng)、噪聲較大，目前很難被電動(dòng)汽車(chē)主機(jī)廠接受，應(yīng)用受限，但隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，解決這一問(wèn)題后也將會(huì)逐步應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)上，而輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式隨著技術(shù)的不斷成熟會(huì)逐步增加應(yīng)用，并將成為主要驅(qū)動(dòng)方式。我國(guó)電機(jī)企業(yè)要抓住這次電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展紅利，充分利用自身優(yōu)勢(shì)、學(xué)習(xí)國(guó)外優(yōu)秀技術(shù)，掌握先進(jìn)的核心技術(shù)，形成行業(yè)良性競(jìng)爭(zhēng)，開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的先進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品。