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1 驱动电机基本特性

驱动电机:被应用在电动汽车上,用来驱动车轮进行运动的电机。基本原理是通过电磁感应,实现机电能量转换或传递。
为满足汽车行驶时的舒适性、经济性、动力性、续航里程及性价比等性能要求,车辆用电动机与工业用电动机有着显著的区别,具体如下:

表1 车辆用电动机与工业用电动机区别
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因此车用电机的基本特性如下:
(1)体积小,质量轻。功率转矩密度大
转矩密度、功率密度分别是指最大转矩体积比和最大功率体积比。在满足机械强度的基础上,应尽可能采取铝合金等轻量化材料,以减少自重;控制器等元件也应该尽可能集成,以减少体积。
(2)效率高,高效区域广
单次充电后应有较高的行驶里程,且在整个行驶过程当中能适应较复杂路况及行驶方式,并且在较低负荷时也应具有较高的工作效率,即高效工作区域应该较宽广。
(3)具有较大的起动转矩以及较宽广的调速范围
为了适应车辆频繁的起动、加速、匀速行驶、减速、负载、负载爬坡、超车、刹车等复合工况所需要的转矩和功率,以减轻驾驶员的人工作业强度,提升驾驶作业的舒适性,并且达到与内燃机汽车具有同样的控制响应性能,因此,电动机必须具备自动调速特性。
(4)高安全性
为了减小高压部分的工作电流,减小电机和导线尺寸,降低逆变器的成本并提高能量转换效率,在国标允许的安全范围内,应该尽可能做到采用高压电进行输出,因此,驱动电机和电池的工作电压相对较高。
(5)能量转化
能够将电能转化成机械能,也可对机械能进行回收再利用,并将其转化为电能。

2 驱动电机分类

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图1 驱动电机分类

目前常用的电机为无刷直流电动机、永磁同步电动机、鼠笼式异步电动机、开关磁阻电机。常见四种电机性能对比如表2所示。
综合各项对比,目前交流感应电机和永磁同步电机在电动车上的应用较为广泛。下面着重论述永磁同步电机。
3 永磁同步电机构造

由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机被称为永磁同步电机。永磁体作为转子部分来产生旋转磁场,而三相定子绕组在旋转磁场的作用下通过电枢反应,感应来产生三相对称电流。将转子的机械能(动能)转化为电能,永磁同步电机被当做发电机(G)来使用;由于三相定子在空间位置上相差120,当在定子侧输入三相对称电流时,三相定子电流会在空间中产生旋转的磁场,转子在旋转的磁场中受到了电磁力作用产生运动,此时电能被转化为动能,永磁同步电机可作电动机(M)使用。

表2 常见四种电机性能对比表
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一般将定子、转子、端盖以及各传感器等部件进行分装,形成永磁同步电机。永磁同步电机的定子结构与一般普通的感应电机的结构极为相似,但永磁同步电机的转子部分与其它电机有着极为明显的差异——在转子上有质量较为优良的永磁体磁极。根据永磁体在转子上的安放位置的不同,永磁同步电机一般分为三大类:面贴式、内嵌式和插入式。
定子:定子主要由铁心、线圈组成;定子铁心由冲片叠压而成;漆包线绕制成线圈,嵌入铁心槽内,再进行绝缘处理;将绝缘处理后的铁心套入机壳得到定子。

转子:转子由铁心、磁钢、轴压装而成。

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图2 永磁同步电机构造

磁钢(NdFeB):电机磁通由磁钢提供,对电机性能影响最大;钕铁硼磁体由粉末冶金法制成,是目前磁性能最高的磁性材料;优点是高抗退磁性、高性价比,其缺点是温度依赖性比较强,耐腐蚀性能比较弱,需适当涂层或电镀处理。
机座:由于电机功率大、体积小,因此发热量大,为便于散热,机座内含冷却水道。常见水道形式如下:
(1)轴向水道(Z字型)
冷却水道拐弯处180度的方向很容易造成较大的能量损失,需要提供较大的入口水压。
(2)周向水道(螺旋管型)
为了使得电机的进出口端温度产生温度梯度,形成温度差,一般会将冷却水的进水口和出水口设计在电机的左右两端。

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图3 机座冷却水道形式

冲片:汽车电机的转速范围宽,由于定子铁芯中磁通的变化率与电机的转速成正比,铁芯中磁场交变频率较高,而单位损耗与频率的1.3~1.5次方成比例。由于需保持高功率密度,铁芯中的磁通密度相同,电机高速电机的单位铁耗将剧増。为降低铁耗需采用低损耗的铁芯材料。
4 电机控制系统

电机驱动系统的主要特点及其功能介绍:
(1)作为电动汽车的三大核心部件之一,电机驱动系统是车辆行驶的主要执行机构,对车辆的主要性能指标起决定性作用,电机驱动系统直接影响车辆的舒适性、动力性和经济性。
(2)采用三相交流永磁电动机(DM)、电机控制器(MCU)可调整输出电流和电动机转速,电机和电机控制器采用水冷方式防止温度过高。
(3)整车控制器(VCU)要能够根据驾驶员的意图来发出各种操作指令,电机控制器完成响应并进行反馈,以便于实时调整驱动电机输出,实现整车的各项驱动功能。
电机控制器(MCU)主要功能如下:
1)怠速行驶(蠕行)
2)控制电机正转(前进)
3)控制电机反转(倒车)
4)能量回收(交流转换直流)
对驱动电机系统实时进行状态和故障检测并进行通信和保护以及故障反馈,是电机控制器的另一重要功能。
5 驱动电机发展趋势

5.1 集成化

在电机方面:电机与发动机、变速器总成以及控制器等均可进行最大程度的集成。
在控制器方面:会推出越来越多的电力电子总成(控制器、功率器件、传感器、电源等),这也是未来批量化、通用化、模块化发展的趋势所在。
5.2 永磁化

采用矢量控制的驱动控制系统以便实现更加宽广的调速范围。永磁电机具有转矩密度和功率密度高、比功率较大、效率高、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点。永磁化将成为电机发展的重要方向之一。
5.3 数字化

最大程度的使用软件来代替硬件部分,实现通讯、诊断、保护、监控等功能,控制系统数字化是电机驱动技术发展的必然趋势。
6 国内外驱动电机技术水平

整体来看,我国驱动电机取得较大进展,已经自主开发出满足各类新能源汽车需求的产品,部分主要性能指标已达到相同功率等级的国际先进水平。但是在峰值转速、功率密度及效率方面与国外仍存在一定的差距

表2 国内外驱动电机企业的永磁同步电机参数比较
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在技术指标方面,国内电机与国外电机相比尚存在以下几方面的差距:
① 峰值转速
峰值转速是驱动电机的重要指标,也是目前国内驱动电机较之国外电机差距最为明显的指标。国内绝大部分永磁同步电机的峰值转速在 10000 rpm 以下,而国外基本在10000 rpm 以上。
② 功率密度

虽然国内电机在功率方面基本能够达到国际水平,但是在同功率条件下存在重量劣势,因此功率密度较之国际水平存在较大差距。目前,国内的永磁同步电机功率密度多处于 1~2 kw/kg 区间内,与 2020 年 3.5 kw/kg 的目标值存在较大差距。

③ 效率
在电机效率方面,国内电机的最高效率均达到 94%~96%,已达到西门子、Remy 等企业的水平。但是在高效区面积方面,如系统效率大于 80% 的区域占比方面尚存在一定差距。我国电机的高效区面积占比集中在 70%~75%,而国外电机基本达到 80%。

④ 冷却方式
电机的冷却方式已经从自然冷却逐步发展为水冷,目前国内电机企业采用水冷为主,国外先进的电机企业已经发展到油冷电机。国内部分电机企业也研发出油冷电机,如精进等,使电机的冷却效率得到进一步提升。
永磁同步电机的发展瓶颈
当前因纯电动乘用车以永磁同步电机为主要技术路线,故如何进一步提升其性能成为行业重点问题。目前,永磁同步电机面临以下几方面的技术难点:
① 功率密度
功率的提升有两种途径,一种是提高扭矩,另一种是提高转速。前者主要问题是过载电流加大,造成发热量高,给散热造成较大压力;后者是高速时铁磁损耗大,需采用高性能低饱和硅钢片,从而使成本提高;或采用复杂的转子结构,但影响功率密度。
② 材料方面
永磁材料也是制约永磁同步电机性能提升的重要因素,目前常用的永磁材料钕铁硼主要存在温度稳定性差、不可逆损失和温度系数较高以及高温下磁性能损失严重等缺点,从而影响电机性能。
③ 生产工艺
永磁同步电机在生产工艺方面的难点是制约大规模配套乘用车的重要因素。因为永磁同步电机生产企业缺乏产业化的积累,国内企业生产不良率较高,无法达到乘用车企业的不良率要求,尤其是随着纯电动乘用车市场规模的扩大,十万级的年产量给永磁同步电机带来了巨大的挑战。

轮毂电机的发展
① 技术现状
轮毂电机最早于 1900 年由保时捷搭载到纯电动汽车上,经过 100 多年的发展,不仅众多美系、日系主机厂增加对轮毂电机的开发,电机公司(如英国 Protean 公司、法国 TM4 公司等)和轮胎企业(米其林公司、普利司通公司)也开发出轮毂电机产品。国内方面,万安科技与英国 Protean 合资、亚太股份与斯洛文尼亚轮毂电机公司合资开发轮毂电机产品。国内外主要轮毂电机产品及其参数如表 3 所示。

表3 国内外主要轮毂电机产品及参数
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② 优缺点分析
从整体来看,永磁同步电机在轮毂电机上应用较为广泛。近年来,国内外的整车及零部件企业进行了很多轮毂电机驱动纯电动和混合动力乘用车的尝试,经比较可知轮毂电机的优缺点如表 4 所示。

表4 轮毂电机优缺点分析
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③ 性能提升对策
轮毂电机在性能上面临的主要问题是簧下质量的提升对舒适性和操控性的影响;与轮毂集成后的散热问题和制动能量回收问题,以及随之而来的防震、防水和防尘等。主要提升的技术手段及对策如表 5 所示。

表5 轮毂电机性能提升对策
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参考文献
[1] 戴文进.电机设计[M].清华大学出版社,2010.
[2] 谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社, 2011.
[3] 郭建龙,陈世元.电动汽车驱动用电机的选择[j].汽车电器,2007 (1):9-12.
[4] 胡虔生,胡敏强.电机学[m].中国电力出版社,2008.
[5] 王兆安,黄俊.电力电子技术[m].机械工业出版社,2007.

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