淺析新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計開發(fā)

黃亦文

（玉林市機(jī)電工程學(xué)校 537000）

0 引言

驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車動力系統(tǒng)中的重要組成部分，側(cè)重于將電能轉(zhuǎn)化為動能，以滿足新能源汽車運行需求。隨著新能源汽車需求量與使用量的不斷增多，驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)要求日漸提升。在保證電機(jī)可靠性、安全性的同時，提高驅(qū)動電機(jī)控制質(zhì)量，增強(qiáng)新能源汽車節(jié)能減排、減耗增效作用，成為驅(qū)動電機(jī)發(fā)展的核心目標(biāo)。以下是筆者對新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的幾點認(rèn)識，意在拋磚引玉。

1 新能源汽車及其驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)的意義

新能源汽車研發(fā)的核心在于動力系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，驅(qū)動電機(jī)作為動力系統(tǒng)中的重要組成部分，其驅(qū)動性能對新能源汽車核心性能指標(biāo)存在直接影響。因此，加強(qiáng)驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)研究力度，優(yōu)化驅(qū)動電機(jī)性能成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀需求與必然趨勢。目前，新能源汽車較為常用的驅(qū)動電機(jī)主要有以下幾種類型。

（1）永磁同步式驅(qū)動電機(jī)，具備體積小、功率密度高、響應(yīng)速度快以及運行安全可靠等優(yōu)勢。

（2）交流異步式驅(qū)動電機(jī)，具備低成本、高可靠性優(yōu)勢，但相對永磁同步式驅(qū)動電機(jī)而言，功率密度相對較低，可控性不高。

（3）開關(guān)磁阻式驅(qū)動電機(jī)，具備成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，但在運行過程中驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，運行噪聲相對較大。

要想促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)優(yōu)化發(fā)展，落實《中國制造2025》、《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》相關(guān)要求，相關(guān)企業(yè)有必要加強(qiáng)驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)，進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)性能的優(yōu)化，提升驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)業(yè)化水平，助力驅(qū)動電機(jī)向高可靠性、高效率、低成本、輕質(zhì)量、控制集約化以及控制智能化等方向發(fā)展[1]。

此外，我國雖然制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如QC/T 1068-2017《電動汽車用異步驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)》、QC/T 1069-2017《電動汽車用永磁同步驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)》，在一定程度上明確了驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計開發(fā)要求，提出新能源汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用要點[2]。但從整體層面來看，由于我國關(guān)于新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的研究起步較晚，設(shè)計開發(fā)能力仍存在諸多不足，與發(fā)達(dá)國家存在一定差距。對此，有必要加強(qiáng)新能源汽車驅(qū)動電機(jī)研究力度，提升驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)自主能力，助力我國電機(jī)行業(yè)、新能源汽車行業(yè)優(yōu)化發(fā)展。

2 新能源汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)的工作要點

基于我國的設(shè)計開發(fā)現(xiàn)狀以及新能源汽車需求，可知新時期我國新能源汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)工作要點如下。

2.1 驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)之功能完善

驅(qū)動電機(jī)與新能源汽車運行性能指標(biāo)之間存在的關(guān)聯(lián)性，決定著驅(qū)動電機(jī)功能完善與優(yōu)化的重要性。加之，隨著國際電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的深化改革，市場對電機(jī)功率密度、效率、過載能力、可靠性、調(diào)速范圍、起動性能、開發(fā)應(yīng)用成本以及轉(zhuǎn)矩密度等都有了更高要求。傳統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)已經(jīng)無法滿足實際要求，達(dá)到國際電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。對此，在新能源汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)過程中，需注重功能的創(chuàng)新與完善，提升電機(jī)綜合能力，增強(qiáng)電機(jī)推廣應(yīng)用價值。

例如，綜合分析各類型電機(jī)存在的優(yōu)勢，基于新材料、新技術(shù)運用，實現(xiàn)優(yōu)勢整合，設(shè)計出整體效益較強(qiáng)的驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)；根據(jù)驅(qū)動電機(jī)存在的問題，引入新結(jié)構(gòu)、新材料進(jìn)行問題改善。如永磁磁阻電機(jī)雖然具備功率密度高、可靠性高等優(yōu)勢，但轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并一定程度上繼承了同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動上的缺陷。對此，根據(jù)永磁磁阻電機(jī)存在的問題，可進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)問題的有效處理，以改善永磁磁阻電機(jī)性能。

2.2 驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)之標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

在新能源汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)過程中，要想提升驅(qū)動電機(jī)設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)我國電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的有效連接，需注重新能源汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建，從而為相關(guān)部門、相關(guān)企業(yè)和相關(guān)工作人員實踐操作，提供規(guī)范、系統(tǒng)、完整和全面的指導(dǎo)。同時要保證驅(qū)動電機(jī)由設(shè)計到制造再到應(yīng)用過程中，產(chǎn)生的技術(shù)問題、生產(chǎn)問題、檢驗問題和管理維修問題能夠得到有效處理。

在此過程中，相關(guān)部門應(yīng)全面了解傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，掌握我國電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與國際電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在的差距。與此同時，結(jié)合我國國情及制造發(fā)展要求，編制通用標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和特殊標(biāo)準(zhǔn)，包括驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)、新能源汽車驅(qū)動電機(jī)安全性標(biāo)準(zhǔn)、驅(qū)動電機(jī)可靠性標(biāo)準(zhǔn)以及驅(qū)動電機(jī)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)等。

2.3 驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)之體系構(gòu)建

在新能源汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)過程中，設(shè)計開發(fā)體系的科學(xué)構(gòu)建是保證設(shè)計開發(fā)理念、方法等有效落實的前提與基礎(chǔ)。因此，相關(guān)部門與企業(yè)在設(shè)計開發(fā)驅(qū)動電機(jī)過程中，需注重設(shè)計開發(fā)體系的有效構(gòu)建，特別是評價體系的構(gòu)建。能夠根據(jù)驅(qū)動電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計要求和開發(fā)條件等，完善評價指標(biāo)，指導(dǎo)相關(guān)工作人員利用評價方法與檢驗檢測技術(shù)，對所設(shè)計開發(fā)的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行性能評估與調(diào)控，包括驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)運行可靠性、安全性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度、功率密度、能源節(jié)約情況及環(huán)境影響度等。

2.4 驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)之匹配設(shè)計

新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計開發(fā)，也需要注重驅(qū)動電機(jī)使用的合理性、科學(xué)性和可操作性。這就需要相關(guān)企業(yè)保證所設(shè)計的驅(qū)動電機(jī)能夠與新能源汽車其他系統(tǒng)相匹配，避免系統(tǒng)與系統(tǒng)、設(shè)備與設(shè)備之間存在矛盾，影響驅(qū)動電機(jī)應(yīng)用效果。

在此過程中，相關(guān)工作人員首先應(yīng)根據(jù)新能源汽車設(shè)計要求，進(jìn)行電機(jī)參數(shù)配置，并根據(jù)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行電機(jī)選型。其次，以節(jié)能環(huán)保、降耗減排設(shè)計理念為指導(dǎo)，保證所設(shè)計開發(fā)的電機(jī)適用于其他系統(tǒng)工作需求，如冷卻系等。此外，保證驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)與整車控制系統(tǒng)相匹配，提升驅(qū)動電機(jī)管控集成性、智能性，讓驅(qū)動電機(jī)控制更具靈活性、可操作性，提高系統(tǒng)運行安全水平，降低新能源汽車事故發(fā)生率。

3 新能源汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)的具體案例

就新能源汽車驅(qū)動電機(jī)發(fā)展情況來看，永磁同步式電機(jī)應(yīng)用比重達(dá)到了83%以上，成為驅(qū)動電機(jī)市場發(fā)展的主流工藝。對此，本文以永磁同步式電機(jī)為例，以提高驅(qū)動電機(jī)性能為目的，提出一種適用性強(qiáng)、應(yīng)用價值高，推廣前景廣闊的永磁輔助式同步磁阻電機(jī)設(shè)計思路。

在永磁輔助式同步磁阻電機(jī)設(shè)計開發(fā)過程中，首先采用對比分析法對新能源汽車動力系統(tǒng)特性進(jìn)行研究并明確設(shè)計需求，了解驅(qū)動電機(jī)各項參數(shù)指標(biāo)與新能源汽車性能之間存在的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，新能源汽車在起動過程中，對驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩具有較高要求，需要驅(qū)動電機(jī)具備較寬的調(diào)速范圍，并且在頻繁工作區(qū)具備較高的工作效率，能夠承受高溫、頻發(fā)振動等帶來的影響。因此，驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、峰值功率以及轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩等）等是驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)所需關(guān)注的重要參數(shù)[3]。

其次，分析影響新能源汽車驅(qū)動電機(jī)特征的因素，包括驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)影響、驅(qū)動電機(jī)材料影響以及驅(qū)動電機(jī)參數(shù)間的影響等。并在此技術(shù)上，根據(jù)設(shè)計要求，進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，電機(jī)材料的科學(xué)選用，電機(jī)參數(shù)的科學(xué)配置。在永磁輔助式同步磁阻電機(jī)設(shè)計中，采用稀土永磁材料為驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)主要材料，改善傳統(tǒng)材料應(yīng)用上存在的不足。設(shè)計中以降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和驅(qū)動電機(jī)弱磁效應(yīng)為目的，確定電機(jī)結(jié)構(gòu)為雙層磁障結(jié)構(gòu)，利用模型仿真法，分析磁障位置、寬度、形狀及氣隙長度等對電機(jī)性能的影響，從而確定最優(yōu)磁障位置、寬度、形狀和氣隙長度等。

此外，對所設(shè)計的驅(qū)動電機(jī)性能進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行電機(jī)設(shè)計調(diào)整。另外，結(jié)合工作經(jīng)驗，明確永磁輔助式同步磁阻電機(jī)驅(qū)動控制器性能，并在此基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，構(gòu)建驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)，以保證驅(qū)動電機(jī)控制器應(yīng)用的準(zhǔn)確與科學(xué)性，進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動電機(jī)應(yīng)用科學(xué)水平。

4 結(jié)束語

新能源汽車驅(qū)動電機(jī)性能的優(yōu)劣直接決定新能源汽車品質(zhì)，影響車輛運行的安全性、穩(wěn)定性與可靠性。對此，在明確認(rèn)知新能源汽車驅(qū)動電機(jī)發(fā)展和需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)以科技創(chuàng)新為指導(dǎo)，進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)設(shè)計開發(fā)，規(guī)范設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、豐富設(shè)計內(nèi)涵、提升設(shè)計與應(yīng)用質(zhì)量，助力新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)競爭發(fā)展。