電動汽車用驅(qū)動電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析

張勇

摘要：目前，我國電動汽車行業(yè)正在不斷發(fā)展，相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)也逐步完善。本文中，筆者即將對電動汽車用驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行介紹，并就驅(qū)動電機(jī)目前的發(fā)展?fàn)顩r以及在將來一段時間的發(fā)展趨勢作出相關(guān)分析。

關(guān)鍵詞：電動汽車；驅(qū)動電機(jī)；現(xiàn)狀；趨勢

1電動汽車用驅(qū)動電機(jī)概述

目前，電動汽車的不同特性對于驅(qū)動電機(jī)提出了不同類型的要求。其中，對速度要求較高的電動汽車，要求其電機(jī)的瞬時功率及功率密度值較高；而要求電池使用周期較長，充電后可以行使更遠(yuǎn)距離的電動汽車，要求電機(jī)的效率應(yīng)相對較高；此外，電動汽車還要求驅(qū)動電機(jī)具有比較理想的高低速綜合效率，用材堅(jiān)固，耐用性強(qiáng)，且具有理想的防水性能，性價比高等特性。依據(jù)上述要求，目前國內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的比較常見的驅(qū)動電機(jī)主要包括下述4種類型。

1.1直流有刷電機(jī)

直流有刷電機(jī)是一種采用直流供電的驅(qū)動電機(jī)，是最早研發(fā)并使用的電動汽車用驅(qū)動電機(jī)類型，且目前在很多類型的電動汽車中仍舊在廣泛使用。直流有刷電機(jī)最大的優(yōu)勢在于控制特性較好，簡單易于操作，且目前國內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，質(zhì)量比較穩(wěn)定。

然而，直流有刷電機(jī)之所以后來逐步為其他類型的驅(qū)動電機(jī)所取代，正是由于其也存在著一些比較突顯的缺陷。首先，由于直流有刷電機(jī)具有電刷及機(jī)械換向器兩個結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其電機(jī)過載能力及速度得不到有效的提高，且使用過程中對零部件的維護(hù)成本較高。此外，直流有刷電機(jī)的損耗主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子部分，這便導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量散失難度較大，對轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化。第三，直流有刷電機(jī)在運(yùn)行過程中，電刷容易因摩擦產(chǎn)生火花，從而形成電磁干擾對電動汽車的正常運(yùn)行造成不利影響。第四，由于采用的是機(jī)械換向器，因此會對電機(jī)的容量、轉(zhuǎn)速等性能造成限制，越來越無法滿足用戶對于驅(qū)動電機(jī)的需求。

1.2感應(yīng)電機(jī)

目前電動汽車中最為常用的就是交流三相感應(yīng)電機(jī)。此類電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子是通過對硅鋼片進(jìn)行疊壓后制成的，沒有其他零部件接觸。具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，耐用性能優(yōu)良等特點(diǎn)。此外，該電機(jī)的功率范圍較廣；可以通過空氣進(jìn)行冷卻，也可以通過液體冷卻；同時，對于周邊環(huán)境具有很好的適應(yīng)性能。相比于其他類型的驅(qū)動電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)的質(zhì)量小，價位低，性價比高，并且保養(yǎng)及維修成本也相對較低。

然而，交流三相感應(yīng)電機(jī)同樣具有比較明顯的缺陷。首先，感應(yīng)電機(jī)的耗電量大，用電成本較高；其次，易發(fā)熱，若降溫不及時則會導(dǎo)致電動機(jī)過熱受損；第三，功率因數(shù)低，對變頻變壓設(shè)部的要求較高。

1.3稀土永磁電機(jī)

稀土永磁電機(jī)工作效率高，功率密度較大，因而通常被應(yīng)用于中小功率的電動汽車中。稀土永磁電通常為鐵硼稀土永磁體，要求電機(jī)運(yùn)行溫度低，對溫度的控制要為嚴(yán)格。目前，比較常見的稀土永磁電機(jī)為稀土永磁同步電機(jī)和稀土永磁無刷直流電機(jī)兩種類型，兩種電機(jī)各自具有一定的特性。

其中，永磁無刷直流電動機(jī)具有普通直流電動機(jī)所具有的優(yōu)良特性，同時，在其機(jī)身結(jié)構(gòu)中又做出了改進(jìn)，去除了換向器和電刷結(jié)構(gòu)。此外，此類電機(jī)轉(zhuǎn)速快，能力密度及運(yùn)行效率高，使其在其他類型的電動汽車用驅(qū)動電機(jī)中脫穎而出。

永磁無刷直流電機(jī)的缺點(diǎn)在于功率較??；且磁性材料性能穩(wěn)定性較差，在特殊的環(huán)境（如高溫、過載等）中可能會出現(xiàn)性能退化，從而導(dǎo)致電機(jī)使用性能變差。為更好的發(fā)揮永磁無刷質(zhì)量電機(jī)的性能優(yōu)勢，需對使用過程中各環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，避免出現(xiàn)過熱、過載等現(xiàn)象。此外，永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用材要求高，技術(shù)難度大，因此在生產(chǎn)過程中的造價也相對較高。

1.4開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)是近年來新研發(fā)的一類電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行效率高，易于散熱，耐高溫，保養(yǎng)及維修相對容易等顯著特點(diǎn)，因而能夠較好的滿足電腦汽車的應(yīng)用需求。

但是，與其他類型的電機(jī)學(xué)相比，開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證控制系統(tǒng)具有較好的操作性能，則須首先電機(jī)的位置檢測器處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。此外，開關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行過程中，容易由于電機(jī)摩擦而產(chǎn)生比較嚴(yán)重的噪聲，但是這一缺陷通過近些年的一系列研究、改進(jìn)得到了逐步的控制。由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有的上述優(yōu)勢，加之行業(yè)內(nèi)正投入越來越多的人力、物力進(jìn)行此類電機(jī)的研究及改進(jìn)，因而此類電機(jī)目前正被越來越多的應(yīng)用到各種類型的電動汽車中。

2電動汽車用驅(qū)動電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

“九五”以來，我國在電動汽車的研究中投入了更多的關(guān)注和支持，電動汽車驅(qū)動電機(jī)得到了快速發(fā)展，并取得了一系列科研成果，目前，這些科研成果正逐步被應(yīng)用到電動汽車的生產(chǎn)實(shí)際中，有效促進(jìn)了我國電動汽車技術(shù)水平的不斷提升。技術(shù)科研的最終目的還是要落實(shí)到生產(chǎn)實(shí)際之中，如今，我國的永磁同步機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等以先后實(shí)現(xiàn)了與電動汽車生產(chǎn)的結(jié)合，并取得了良好的生產(chǎn)效果。隨著我國電機(jī)運(yùn)行效率的不斷提升，電機(jī)使用范圍越來越廣，相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)水平正逐步向國際化看齊。

雖然在電機(jī)的不斷研發(fā)過程中來看，由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且技術(shù)難度大，施工環(huán)境較差，因而在新技術(shù)研發(fā)的過程中存在著重重困難。但是隨著我國電動汽車電機(jī)研發(fā)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，很多性能優(yōu)化問題得到了逐步的解決。例如，混合動力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能方面，變速箱與內(nèi)燃機(jī)等實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性改進(jìn)，控制系統(tǒng)的復(fù)雜性正逐漸緩解。此外，就電動汽車用驅(qū)動電機(jī)的使用狀況而言，完全為電力驅(qū)動的汽車主要使用交流異步電機(jī)，但隨著永磁電機(jī)性能的不斷改進(jìn)，其使用范圍也逐漸加大。而電力、汽油混合動力汽車則使用功率較大的驅(qū)動電機(jī)，該類電機(jī)曾經(jīng)存在穩(wěn)定性差、噪音大的設(shè)計(jì)缺陷，目前也有了顯著的改進(jìn)，并廣泛的投入到現(xiàn)代化生產(chǎn)之中。

同時，我國仍在不斷改進(jìn)電動汽車驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計(jì)樣式，將更多的現(xiàn)代化理念融入到電機(jī)的設(shè)計(jì)之中，并逐步解決了曾經(jīng)的一系列技術(shù)難題，例如多目標(biāo)高性能車用電機(jī)的極限設(shè)計(jì)等等，將結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)設(shè)計(jì)中.一體化設(shè)計(jì)優(yōu)勢不斷凸顯。另外，對于混合勵磁電機(jī)等一系列高新技術(shù)電機(jī)，目前電動車驅(qū)動電機(jī)領(lǐng)域正在進(jìn)行廣泛的深入研究，且已逐步取得更多的研究成果，雖然該技術(shù)領(lǐng)域目前尚未投入到大規(guī)模的生產(chǎn)之中，但已通過了多臺臺架試驗(yàn)，相信在該發(fā)展趨勢之下，不久之后便有望投入實(shí)際生產(chǎn)之中。

在電動車驅(qū)動電機(jī)的制造工藝方面，行業(yè)內(nèi)同樣開展了大量積極的研究，并取得了豐富的研發(fā)成果，例如高密度繞線技術(shù)等在過去尚未解決的技術(shù)難題目前已逐步解決并投入到生產(chǎn)實(shí)踐之中。

另外，我國在電機(jī)系統(tǒng)檢測方面也投入了大量的人力、物力進(jìn)行研究改良，隨著測試臺架的逐漸完善，目前國內(nèi)在電機(jī)檢測方面已經(jīng)具有了比較完善的檢測環(huán)境，且檢測參數(shù)比較全面。在性能檢測方面，各科研機(jī)構(gòu)選擇的研發(fā)角度不盡相同，例如有些單位側(cè)重于性能檢測的研發(fā)，另有一些單位側(cè)重于測試規(guī)范的研究與完善，但就研究成果方面，目前都取得了不同程度的進(jìn)步。

此外，對于電動汽車驅(qū)動電機(jī)之前存在的零部件設(shè)計(jì)不完善等狀況，科研機(jī)構(gòu)也逐漸開展了原有零部件性能的改進(jìn)，或取代性產(chǎn)品的開發(fā)，例如目前已初步完成了車用電機(jī)專用電工鋼的設(shè)計(jì)研發(fā)等，有望逐步投入到實(shí)際生產(chǎn)之中。

3電動汽車用驅(qū)動電機(jī)發(fā)展趨勢

3.1電機(jī)的功率密度不斷提高，永磁電機(jī)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大

隨著用戶對于電動汽車的使用要求不斷提高，原有的電機(jī)性能顯然已無法滿足市場的需求，因此，筆者認(rèn)為，電機(jī)將會向著功率不斷提升的趨勢發(fā)展。電機(jī)是電動汽車的“心臟”，過去由于功率密度不高，且體積尺寸較大，不利于電動汽車性能的提升。在將來，科研及生產(chǎn)機(jī)構(gòu)將著力進(jìn)行高功率密度的電機(jī)研發(fā)。同時，隨著永磁電機(jī)性能的不斷改進(jìn)，也將越來越多的被應(yīng)用到電動汽車驅(qū)動之中。

3.2電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速不斷提高，回饋制動的高效區(qū)不斷拓寬

電機(jī)工作轉(zhuǎn)速的提升也是電動汽車電機(jī)發(fā)展的必然趨勢，目前在該領(lǐng)域的研發(fā)已初獲成果，但科研機(jī)構(gòu)將繼續(xù)投入更多的精力已促進(jìn)該性能的進(jìn)一步提升。此外，隨著混合動力電機(jī)的一體化發(fā)展，對于相應(yīng)的回饋制動也提出了更高的要求，目前回饋制動的范圍正不斷拓寬，從而促進(jìn)電動汽車的行車?yán)锍滩粩嘌娱L。

3.3電驅(qū)動系統(tǒng)的混合度與電功率比不斷增加

雖然目前市場上分布了輕混、中混、強(qiáng)混等各種混合程度的混合動力車型，但從各種混合度車型的節(jié)能減排效果來看，混合程度越高，汽車的節(jié)能能力越強(qiáng)。電功率占整車功率的比例正在混合動力汽車領(lǐng)域逐漸提高，電機(jī)已不再單單作為發(fā)動機(jī)的附屬設(shè)備。各車廠正在逐漸將小排量發(fā)動機(jī)和大功率電機(jī)運(yùn)用在汽車驅(qū)動上。