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)。基本原理是通過電磁感應(yīng)，實(shí)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(diǎn)是高抗退磁性、高性價比，其缺點(diǎn)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(diǎn)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(shí)時調(diào)整驅(qū)動電機(jī)輸出，實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)。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(shí)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。

6 國內(nèi)外驅(qū)動電機(jī)技術(shù)水平

整體來看，我國驅(qū)動電機(jī)取得較大進(jìn)展，已經(jīng)自主開發(fā)出滿足各類新能源汽車需求的產(chǎn)品，部分主要性能指標(biāo)已達(dá)到相同功率等級的國際先進(jìn)水平。但是在峰值轉(zhuǎn)速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距

表2  國內(nèi)外驅(qū)動電機(jī)企業(yè)的永磁同步電機(jī)參數(shù)比較

在技術(shù)指標(biāo)方面，國內(nèi)電機(jī)與國外電機(jī)相比尚存在以下幾方面的差距：

① 峰值轉(zhuǎn)速

峰值轉(zhuǎn)速是驅(qū)動電機(jī)的重要指標(biāo)，也是目前國內(nèi)驅(qū)動電機(jī)較之國外電機(jī)差距最為明顯的指標(biāo)。國內(nèi)絕大部分永磁同步電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速在 10000 rpm 以下，而國外基本在10000 rpm 以上。

② 功率密度

雖然國內(nèi)電機(jī)在功率方面基本能夠達(dá)到國際水平，但是在同功率條件下存在重量劣勢，因此功率密度較之國際水平存在較大差距。目前，國內(nèi)的永磁同步電機(jī)功率密度多處于 1～2 kw/kg 區(qū)間內(nèi)，與 2020 年 3.5 kw/kg 的目標(biāo)值存在較大差距。

③ 效率

在電機(jī)效率方面，國內(nèi)電機(jī)的最高效率均達(dá)到 94%～96%，已達(dá)到西門子、Remy 等企業(yè)的水平。但是在高效區(qū)面積方面，如系統(tǒng)效率大于 80% 的區(qū)域占比方面尚存在一定差距。我國電機(jī)的高效區(qū)面積占比集中在 70%～75%，而國外電機(jī)基本達(dá)到 80%。

④ 冷卻方式

電機(jī)的冷卻方式已經(jīng)從自然冷卻逐步發(fā)展為水冷，目前國內(nèi)電機(jī)企業(yè)采用水冷為主，國外先進(jìn)的電機(jī)企業(yè)已經(jīng)發(fā)展到油冷電機(jī)。國內(nèi)部分電機(jī)企業(yè)也研發(fā)出油冷電機(jī)，如精進(jìn)等，使電機(jī)的冷卻效率得到進(jìn)一步提升。

永磁同步電機(jī)的發(fā)展瓶頸

當(dāng)前因純電動乘用車以永磁同步電機(jī)為主要技術(shù)路線，故如何進(jìn)一步提升其性能成為行業(yè)重點(diǎn)問題。目前，永磁同步電機(jī)面臨以下幾方面的技術(shù)難點(diǎn)：

① 功率密度

功率的提升有兩種途徑，一種是提高扭矩，另一種是提高轉(zhuǎn)速。前者主要問題是過載電流加大，造成發(fā)熱量高，給散熱造成較大壓力；后者是高速時鐵磁損耗大，需采用高性能低飽和硅鋼片，從而使成本提高；或采用復(fù)雜的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但影響功率密度。

② 材料方面

永磁材料也是制約永磁同步電機(jī)性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料釹鐵硼主要存在溫度穩(wěn)定性差、不可逆損失和溫度系數(shù)較高以及高溫下磁性能損失嚴(yán)重等缺點(diǎn)，從而影響電機(jī)性能。

③ 生產(chǎn)工藝

永磁同步電機(jī)在生產(chǎn)工藝方面的難點(diǎn)是制約大規(guī)模配套乘用車的重要因素。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)生產(chǎn)企業(yè)缺乏產(chǎn)業(yè)化的積累，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)不良率較高，無法達(dá)到乘用車企業(yè)的不良率要求，尤其是隨著純電動乘用車市場規(guī)模的擴(kuò)大，十萬級的年產(chǎn)量給永磁同步電機(jī)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

輪轂電機(jī)的發(fā)展

① 技術(shù)現(xiàn)狀

輪轂電機(jī)最早于 1900 年由保時捷搭載到純電動汽車上，經(jīng)過 100 多年的發(fā)展，不僅眾多美系、日系主機(jī)廠增加對輪轂電機(jī)的開發(fā)，電機(jī)公司（如英國 Protean 公司、法國 TM4 公司等）和輪胎企業(yè)（米其林公司、普利司通公司）也開發(fā)出輪轂電機(jī)產(chǎn)品。國內(nèi)方面，萬安科技與英國 Protean 合資、亞太股份與斯洛文尼亞輪轂電機(jī)公司合資開發(fā)輪轂電機(jī)產(chǎn)品。國內(nèi)外主要輪轂電機(jī)產(chǎn)品及其參數(shù)如表 3 所示。

表3  國內(nèi)外主要輪轂電機(jī)產(chǎn)品及參數(shù)

② 優(yōu)缺點(diǎn)分析

從整體來看，永磁同步電機(jī)在輪轂電機(jī)上應(yīng)用較為廣泛。近年來，國內(nèi)外的整車及零部件企業(yè)進(jìn)行了很多輪轂電機(jī)驅(qū)動純電動和混合動力乘用車的嘗試，經(jīng)比較可知輪轂電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)如表 4 所示。

表4  輪轂電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)分析

③ 性能提升對策

輪轂電機(jī)在性能上面臨的主要問題是簧下質(zhì)量的提升對舒適性和操控性的影響；與輪轂集成后的散熱問題和制動能量回收問題，以及隨之而來的防震、防水和防塵等。主要提升的技術(shù)手段及對策如表 5 所示。

表5  輪轂電機(jī)性能提升對策