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新能源电动汽车之电机篇

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2010-08-25来源：

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高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研制的关键技术之一，已被列为863电动汽车重大专项的共性关键技术课题。

20世纪80年代前，几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机，这是因为直流牵引电机具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等优点。

直流电机的缺点是有机械换向器，当在高速大负载下运行时，换向器表面会产生火花，所以电机的运转速度不能太高。

由于直流电机的换向器需保养，又不适合高速运转，除小型车外，目前一般已不采用。

　　近十年来，主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。

与原有的直流牵引电机系统相比，具有明显优势，其突出优点是体积小，质量轻（其比质量为0.5－1.0kg/Kw）、效率高、基本免维护、调速范围广。

其研究开发现状和发展趋势如下。

1、异步电机驱动系统

　　异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。

　　异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品（尤其在美国），但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。

　　最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。

2、无刷永磁同步电机驱动系统

　　无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者，已在国内外多种电动车辆中获得应用。

　　内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。

该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。

内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入，该机结构灵活，设计自由度大，有望得到高性能，适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。

这些引起了各大汽车公司同行们的关注，特别是获得了日本汽车公司同行的青睐。

当前，美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电机。

　　表面凸出式永磁同步电机也称为永磁转矩电机，相对内置式永磁同步电机而言，其弱磁调速范围小，功率密度低。

该结构电机动态响应快，并可望得到低转矩脉动，适合用作汽车的电子伺服驱动，如汽车电子动力方向盘的伺服电机。

　　无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系统研究的一个热点，将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一，具有潜在的竞争优势。

　　永磁同步电机驱动系统低速时常采用矢量控制，高速时用弱磁控制。

3、新一代牵引电机驱动系统

　　从20世纪80年代开关磁阻电机驱动系统问世后，打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式；并随着磁阻电机，永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展，交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代；新的电机拓朴结构与控制方式层出不究，推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。

高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。

　　SRD开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。

这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。

SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。

因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。

　　永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机，永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。

该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩，永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动，以利于它在电动车辆驱动系统中应用。

　　转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注。

转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力，类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调速的需求。

目前该电机的研究处于探索阶段，电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善，作为电动车辆牵引电机具有较强的潜在的竞争优势。

　　此外，正在研发的热点课题还有：

　　具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统；

　　车轮电机驱动系统；

　　动力传动一体化部件（电机、减速齿轮、传动轴）；

　　双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统。

4、下一代汽车电子伺服系统及其车用伺服电机

　　1993年美国能源部、商务部、贸易部、国防部、环保局、宇航局、国家科学基金会七个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司，克莱斯勒、福特和通用，建立了新一代车辆伙伴关系（PNGV，PartnershipforaNewGenerationofVehicles），目标是开发新一代机动车技术，以增强美国汽车工业的实力。

1998年至2002年期间，美国国家自然科学基金（NSF）资助美国国家电力电子中心（由美国Virginia和美国Wisconsin等四所大学组建）研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统和各种车辆专用IC模块，提高汽车电子电气部件的可靠性，降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点，增强在国际市场的竞争力。

线控的汽车电子伺服系统（X－by－wire）在未来将是十分重要的技术，该技术可将各种独立的系统（如转向、制动、悬挂等）集成到一起由计算机调控，使汽车的操纵性、安全性以及汽车的总体结构大大改善，设计的灵活度也大大增加。

目前，电子动力方向盘和线控刹车已经在一些欧洲车型上被采用，在这个系统中已经削减了相当多的机械部件，如液压泵等。

汽车电子伺服技术是具有革命性的技术，随着这个技术的使用，许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失，而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。

电动汽车电机产业化的难点

默认分类2010-04-2022:

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专访国家863计划节能与新能源汽车重大专项总体组电机责任专家、上海电驱动有限公司总经理贡俊

在各类新能源汽车中，贡俊认为最有可能大规模产业化的是混合动力的客车和纯电动的轿车。

对于新能源汽车用驱动电机系统，贡俊也介绍了其发展现状、趋势、面临的挑战包括中外发展差距，以及电机产业化难点。

一、我国车用驱动电机系统发展现状

新能源汽车用驱动电机系统主要分为永磁电机、交流异步电机、开关磁阻电机这样三种，目前以永磁电机为主要产品。

我国在车用驱动电机系统发面已取得了一定的进展。

首先，现代设计理念与方案得到了有效的验证，即用现代车用电机系统设计理念，解决了多目标高性能车用电机的极限设计与多领域精确分析以及结合应用控制策略系统集成仿真的深层次技术难题。

车用驱动电机满足了节能与新能源汽车对高效率、高密度的应用需求，经过电机测试基地的统一测试，大多数技术指标达到了整车提出的要求。

其次，我国运用新原理，进行了新技术产品开发。

国内部分企业、研究单位和高校对一些新原理的电机系统，如基于双机械端口电机的电力无级变速系统（EVT）、混合励磁电机系统等，进行了积极研究探索，有些已做出了样机，有的进行了台架试验和装车。

同时，我们在部分关键共性技术研究取得了突破。

车用驱动电机系统产品链部分共性基础技术，如满足各种整车封装需求的电机转子位置传感器、绝缘材料、永磁材料取得了突破，并在上车的电机产品中得到了良好的应用。

再次，我国将关键制造工艺成果成功应用到了工程实践。

对车用电机制造工艺进行了有益的研究探索，如拼块式铁心、高密度的绕线技术和整体充磁工艺等已开始用于产品实践。

最后，我国规范了产品技术标准。

国家863节能与新能源汽车重大专项办公室对整车的需求和应用、电机系统单位的研制和生产进行了调研；整车和零部件企业对技术进行了对接和研讨，重点讨论电气接口、机械接口统一性，并针对可靠性评价测试方法进一步征求了整车企业意见；同时，我国组织汽车技术研究中心和电机测试基地，结合目前的整车发展需求，提出并上报有关标准修改建议书，为制定和修改标准做好了充分准备。

二、发展趋势

我国车用驱动电机系统有三个技术发展方向：

永磁化、数字化和集成化。

永磁化是指永磁电机具有功率密度和转矩密度高、效率高、便于维护的优点。

采用矢量控制的驱动控制系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围。

数字化不仅包括驱动控制的数字化，驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。

用软件最大程度上地代替硬件，除完成要求的控制功能外，还可以具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。

电机汽车应用一个很大的特征是电机系统的集成化。

主要体现在两个方面的集成化：

1）电机方面——电机与发动机总成、电机与变速箱的总成。

电机驱动技术向着集成化的方向发展有利于减小整个系统的重量和体积，并可以有效的降低系统的制造成本。

2）控制器方面——电力电子总成（功率器件、驱动、控制、传感器、电源等）。

这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以比较有效地减小体积和重量，国外的大陆公司、博世等公司已有小批量生产能力。

国内厂商刚起步，还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且尚不能有效地降低成本，达到较高的可靠性。

在技术发展的同时，电机系统也在向产业化多品种、小批量规模化生产模式靠拢，在目前这阶段需要特别解决多品种、小批量柔性生产的工艺和工程化问题。

目前欧美和部分日本整车企业加快了在我国寻找和培育电机供应商的步伐。

他们一般采取自己开发生产控制系统，电机制造外包给供应商伙伴（多半在中国）的策略。

三、面临的挑战

中国在电动汽车关键零部件方面的电机技术进步很大，但是在产品集成度、可靠性和系统应用技术方面，却与国际先进水平存在较大差距，主要体现在这样几个方面：

中国考核可靠性与使用寿命的发放不明确，考核工作做得不够到位；电机、控制器、DC/DC的体积、质量总体偏大；对环境适应性研究的考核也存在不足；模块化设计不够完善，插接件标准没有有效统一，工程化程度有待提高；关键电力电子元器件也只能仰赖进口而没有自产的能力。

除了弥补以上差距，我们还要进行新产品技术和关键共性技术方面的研究，主要是这样一些技术产品：

新型电机一体化动力总成，低嗓音高效一体化发电机组，耐恶劣环境稀土永磁材料，低成本高性能绝缘材料，高集成度、低成本轴角位置模数转换器等等。

四、（相比电池）电动汽车的电机的产业化难点

电机是与整车联系很密切的的东西，基本都需要和整车进行同步开发，很难大规模标准化生产，只能根据各个车型来具体规划和生产。

电机很难像电池那样做成一个标准化的产品，第一步希望能做到接口方面标准化。