淺談新能源汽車(chē)常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型及原理

蔣翠翠 鄭少鵬 彭杰輝 黃景鵬

摘要：文中描述了新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能特點(diǎn)要求，及目前市場(chǎng)上新能源電驅(qū)動(dòng)車(chē)型常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型。闡述了各類(lèi)的新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，將有助于更好地了解驅(qū)動(dòng)電機(jī)。根據(jù)每種不同的電機(jī)，介紹了其應(yīng)用范圍。

Abstract： The performance requirements of driving motor for new energy vehicle are described in the paper， and the types of driving motor are also introduced. Then ，the paper shows the structures and working principles of all kinds of new energy vehicle driving motors， including AC Asynchronous Motor， Permanent Magnet Synchronous Motor and Switched Reluctance Motor， which help to know the driving motor better. Different motor， different range is applied.

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);驅(qū)動(dòng)電機(jī);發(fā)電機(jī);電機(jī)原理

Key words： new energy vehicle;driving motor;generator;principle

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.142.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0073-04

0? 引言

新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新能源汽車(chē)的主要驅(qū)動(dòng)部件，是新能源汽車(chē)的核心技術(shù)部件之一。[1]新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比于普通的工業(yè)電機(jī)，有基本的性能要求，包括寬調(diào)速范圍，高密度輕量化，高效率，具備能量回收能力，高可靠與安全性，成本低，適合規(guī)模生產(chǎn)等。[2]

基于新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本性能要求，目前常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型主要包括三大類(lèi)，即交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。[3]目前，各車(chē)企配套車(chē)型統(tǒng)計(jì)中，每個(gè)車(chē)型選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型也有所不同。[4]

因此，要進(jìn)行新能源汽車(chē)搭載電機(jī)類(lèi)型選用，了解驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能優(yōu)缺點(diǎn)非常重要。

1? 交流異步電機(jī)

1.1 交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)

交流異步電機(jī)，也稱(chēng)感應(yīng)電機(jī)，結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、電機(jī)軸、前后軸承、端蓋、位置傳感器、溫度傳感器、低壓線(xiàn)束和高壓動(dòng)力線(xiàn)束。定子由定子鐵心和三相繞組組成;轉(zhuǎn)子常用籠型轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)子鐵心和籠型繞組。根據(jù)電機(jī)的功率不同會(huì)選擇水冷或者風(fēng)冷方式。（圖1）

1.2 交流異步電機(jī)的工作原理

1.2.1 交流異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理

1.2.1.1 定子提供旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

交流異步電機(jī)要驅(qū)動(dòng)提供扭矩，需要在定子線(xiàn)圈中通入三相交流電，產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為ns）。交流異步電機(jī)要求定子三相繞組必須對(duì)稱(chēng)，并且定子鐵心空間上互差120度電角度;通入三相對(duì)稱(chēng)繞組的電流也必須對(duì)稱(chēng)，大小、頻率相同，相位相差120度。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，見(jiàn)式（1）。

ns=60f/p ? ? ? ? ?（1）

式中，ns為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（也稱(chēng)同步轉(zhuǎn)速），r/min;f為三相交流電頻率，Hz;p為磁極對(duì)數(shù)。對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)定型生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，磁級(jí)對(duì)數(shù)已經(jīng)確定，因此決定磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度的因素為三相交流電頻率。由于我國(guó)的電網(wǎng)頻率f=50Hz，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁極對(duì)數(shù)有線(xiàn)性關(guān)系。（圖2）

1.2.1.2 籠型轉(zhuǎn)子提供感應(yīng)渦流

由于定子提供旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上感應(yīng)出電渦流，如圖3所示。在籠型繞組導(dǎo)體c和b之間的導(dǎo)磁區(qū)域內(nèi)，有向外的磁力線(xiàn)，并且該磁力線(xiàn)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下增強(qiáng)，因此，導(dǎo)體c、b上會(huì)感應(yīng)出i1電渦流;同理，導(dǎo)體a 和導(dǎo)體b區(qū)域內(nèi)減弱的磁力線(xiàn)會(huì)在導(dǎo)體上感應(yīng)出i2電渦流。導(dǎo)體b上的電流在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，會(huì)使籠型繞組b導(dǎo)體受到電磁力，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，旋轉(zhuǎn)起來(lái)。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子逐漸追上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以比磁場(chǎng)的“同步速度ns”稍慢的速度n旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度n比定子磁場(chǎng)的速度ns稍慢的現(xiàn)象稱(chēng)為轉(zhuǎn)子發(fā)生了轉(zhuǎn)差，這種異步轉(zhuǎn)差，讓籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)體持續(xù)切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，由此，在轉(zhuǎn)子上，電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，保證持續(xù)對(duì)外輸出。

1.2.2 交流異步電機(jī)的發(fā)電工作原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里切割磁感線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)成為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在交流異步電機(jī)中，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)時(shí)，定子中的通入三相電流為激磁電流，提供磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上繞組提供導(dǎo)體，當(dāng)通過(guò)外部機(jī)械力，比如汽車(chē)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子軸，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)速高于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)交流異步電機(jī)即為發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子此時(shí)切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向與作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子工作時(shí)相反，因而轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也相反。在發(fā)電過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子受到與外力拖動(dòng)相反的電磁阻力矩，使轉(zhuǎn)子速度下降。

1.3 交流異步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍

交流異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輸出扭矩可以在大范圍內(nèi)調(diào)整，能在加速或者爬坡時(shí)短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)制提高輸出扭矩，永磁同步電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)通常通過(guò)增加齒輪箱機(jī)構(gòu)來(lái)增加扭矩以提升速度。但是交流異步電機(jī)的缺點(diǎn)是電機(jī)由于單邊勵(lì)磁，啟動(dòng)電流較大，產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)矩需要的電流較大，而且定子中存在無(wú)功勵(lì)磁電流，因此能耗比永磁同步電機(jī)大，功率因數(shù)滯后;重載驅(qū)動(dòng)時(shí)常出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象;結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其控制技術(shù)要求高，制造成本高;功率密度相對(duì)低。目前，美國(guó)研制的電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)多采用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2? 永磁同步電機(jī)

2.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、電機(jī)軸、前后軸承、端蓋、冷卻水道、位置傳感器、溫度傳感器、低壓線(xiàn)束和動(dòng)力線(xiàn)束。定子由定子鐵心和三相繞組組成;轉(zhuǎn)子由永磁體磁極和鐵心組成，鐵心用硅鋼片疊成。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子中的布置方式，主要包括表面凸出式永磁轉(zhuǎn)子、表面嵌入式永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子，目前新能源電機(jī)常用內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子。（圖4）

2.2 永磁同步電機(jī)的工作原理

2.2.1 永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理

由定子提供旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式和轉(zhuǎn)速與交流異步電機(jī)相同。由轉(zhuǎn)子永磁體提供磁極。這樣，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子永磁體磁極和轉(zhuǎn)子鐵心，形成回路。根據(jù)磁阻最小原理，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，于是永磁轉(zhuǎn)子就會(huì)跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。

2.2.2 永磁同步電機(jī)的發(fā)電原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，閉合電路的一部分導(dǎo)體是由三相定子繞組提供，磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子上的永磁體提供，當(dāng)外部力矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割三相定子繞組中的部分導(dǎo)體，產(chǎn)生感應(yīng)三相對(duì)稱(chēng)電流，此時(shí)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作。

2.3 永磁同步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍

永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕，功率密度高，相比于異步電機(jī)能耗小，溫升低，效率高?？梢愿鶕?jù)需求，設(shè)計(jì)成高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，高過(guò)載能力的結(jié)構(gòu)電機(jī)。永磁同步電機(jī)嚴(yán)格同步，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較好，適合變頻控制，調(diào)整電流與頻率即可很大范圍調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。但是，永磁同步電機(jī)中永磁材料通常采用釹鐵硼強(qiáng)磁材料，這種材料較為脆硬，受到強(qiáng)烈震動(dòng)有可能碎裂;而且轉(zhuǎn)子采用永磁材料，在電機(jī)使用和過(guò)溫情況下會(huì)出現(xiàn)磁衰退，造成動(dòng)力下降。目前，永磁同步電機(jī)在新能源汽車(chē)電機(jī)中應(yīng)用比較廣泛，亞洲和歐洲新能源市場(chǎng)主要采用永磁同步電機(jī)作為新能源電機(jī)。

3? 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

3.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī)，又稱(chēng)“開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，這種電動(dòng)機(jī)主要包括開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感器及控制器四部分，如圖5所示。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、前后軸承、前后端蓋和電機(jī)殼體等，如圖6所示。其中，定子包括定子鐵心和繞組。定子鐵心和轉(zhuǎn)子都采用凸極結(jié)構(gòu)，定子凸極鐵心和轉(zhuǎn)子都由硅鋼片疊加而成，定子凸極上布置繞組，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組和永磁體。

三相6/4極結(jié)構(gòu)表明電動(dòng)機(jī)定子有6個(gè)凸極，轉(zhuǎn)子有4個(gè)凸極，其中在定子相對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)凸極上的集中繞組互相串聯(lián)，構(gòu)成一相，相數(shù)為定子凸極數(shù)/2，如圖7（a）所示。三相12/8極結(jié)構(gòu)表明電動(dòng)機(jī)定子有12個(gè)凸極，轉(zhuǎn)子有8個(gè)凸極，其中在定子的4個(gè)兩兩對(duì)稱(chēng)凸極上的繞組互相串聯(lián)，構(gòu)成一相，相數(shù)為定子凸極數(shù)/4，如圖7（b）所示。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相數(shù)越多，步進(jìn)角越小，運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)，越有利于減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但控制越復(fù)雜，以致主開(kāi)關(guān)器件增多和成本增加。

步進(jìn)角的計(jì)算，見(jiàn)式（2）：

如三相6/4極電動(dòng)機(jī)，其步進(jìn)角a=360°×2/（6×4）=30°。

3.2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理

3.2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理

由圖8中的三相12/8極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作原理圖可知，當(dāng)A相繞組電流控制主開(kāi)關(guān)S1、S2閉合時(shí)，A相通電勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力以O(shè)A為軸線(xiàn)的徑向磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)磁力線(xiàn)在通過(guò)定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極的氣隙處是彎曲的，此時(shí)，磁路的磁阻大于定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極重合時(shí)的磁阻，因此，轉(zhuǎn)子凸極受到磁場(chǎng)拉力的作用，使轉(zhuǎn)子極軸線(xiàn)Oa與定子極軸線(xiàn)OA的重合，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。關(guān)斷A相電，建立B相電源，則此時(shí)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)30度，則轉(zhuǎn)子在此時(shí)電磁拉力的作用下，連續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15度。如果順序給A-B-C-A相繞組通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái);當(dāng)各相中的定子繞組輪流通電一次時(shí)，定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)3×30度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子極距3×15度（即360度/轉(zhuǎn)子凸極數(shù)）。如果依次給A-C-B-A相繞組通電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與電流的方向無(wú)關(guān)，取決于對(duì)定子相繞組的通電順序。在多相電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，也經(jīng)常出現(xiàn)兩相或兩相以上繞組同時(shí)導(dǎo)通的情況。

3.2.2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電工作原理

開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)相電感存在三種狀態(tài)，勵(lì)磁狀態(tài)、續(xù)流狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)，其相電感L波形如圖10所示。圖9中，θ角定義為該相轉(zhuǎn)子齒極軸線(xiàn)與定子齒槽軸線(xiàn)之間的夾角。轉(zhuǎn)子齒極軸線(xiàn)與相應(yīng)的定子齒槽軸線(xiàn)重合時(shí)，該相電感最?。ǘx為θ=0°）;直至轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子凸極的后沿相遇時(shí)（θ=θ1），繞組相電感始終保持Lmin不變;當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子凸極開(kāi)始和定子凸極出現(xiàn)重合，直至轉(zhuǎn)子凸極后沿和定子凸極后沿完全重合（此時(shí)θ=θ2），繞組相電感在此區(qū)域內(nèi)線(xiàn)性上升，直至最大值Lmax;當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至轉(zhuǎn)子凸極的前沿和定子凸極的前沿重合時(shí)，此時(shí)θ=θ4，該相電感持續(xù)Lmax。根據(jù)電磁場(chǎng)基本理論，伴隨磁場(chǎng)的存在，電機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩同時(shí)存在，可以表示為式（3）。

3.3 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，啟動(dòng)性能好，效率高，成本低，可以通過(guò)改變導(dǎo)通、關(guān)斷角度和電壓來(lái)調(diào)速，擁有較寬的調(diào)速范圍和能力。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，噪音較大。目前在一些小型電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛上使用，比如電驅(qū)動(dòng)四輪代步車(chē)、巡邏車(chē)等。

4? 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)自身的性能特點(diǎn)要求，目前市場(chǎng)上車(chē)型選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也各有不同。文中描述了目前常用的新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，將有助于更好地了解驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而且，由于每種電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理不同，應(yīng)用范圍也大不相同。根據(jù)國(guó)家的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，圍繞環(huán)保型新能源汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方向進(jìn)行的研究將會(huì)越來(lái)越廣泛，電機(jī)種類(lèi)和技術(shù)水平也會(huì)不斷提高。

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