胡 勇,關(guān)天聰,譚永獎(jiǎng),李志輝

（陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東陽(yáng)江,529566）

新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

胡 勇,關(guān)天聰,譚永獎(jiǎng),李志輝

（陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東陽(yáng)江,529566）

本文詳細(xì)介紹了新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成及基本工作過(guò)程；對(duì)新能源汽車(chē)電機(jī)的類型及應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)，大量實(shí)例說(shuō)明，永磁同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)上，同時(shí)具有高功率、高密度等特點(diǎn)；歸納了永磁電機(jī)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；概述了永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

新能源汽車(chē)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

新能源汽車(chē)是大勢(shì)所趨，目前市場(chǎng)上的新能源汽車(chē)主要包括純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)。不同品牌、不同類型的新能源汽車(chē)的結(jié)構(gòu)不盡相同，但其驅(qū)動(dòng)電機(jī)卻是基本類似的，在電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速范圍、扭矩等方面略有不同。純電動(dòng)汽車(chē)是指其電能驅(qū)動(dòng)作為其唯一的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的汽車(chē)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)是指在傳統(tǒng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)中加入電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，其中電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛，與傳統(tǒng)汽車(chē)相比較，加入電動(dòng)機(jī)后的混合動(dòng)力汽車(chē)的綜合油耗和動(dòng)力性能有顯著改善。

1 基于節(jié)能戰(zhàn)略的新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

基于節(jié)能戰(zhàn)略的新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成就可以實(shí)現(xiàn)部分甚至大部分的能量雙向轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和傳遞，車(chē)輛加速產(chǎn)生的動(dòng)能或爬坡產(chǎn)生的勢(shì)能，在剎車(chē)減速或下坡時(shí)、滑行時(shí)通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能而儲(chǔ)存到電池或其它儲(chǔ)能部件中，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。相比內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)等機(jī)械結(jié)構(gòu)，新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著技術(shù)難度大、控制復(fù)雜等困難。在國(guó)外已有越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)采用性能先進(jìn)的電動(dòng)輪，又稱輪轂電機(jī)，它用電機(jī)，多為永磁無(wú)刷式，直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，傳統(tǒng)汽車(chē)的變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)部件在新能源汽車(chē)中就沒(méi)有了，使得汽車(chē)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。但是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求就嚴(yán)格了，它要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下有很大的扭矩，特別是對(duì)于軍用越野車(chē)，要求電機(jī)基點(diǎn)轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速比值為1:10。近幾年，歐美等國(guó)將電動(dòng)輪技術(shù)應(yīng)用于軍用越野車(chē)和輕型坦克上，并取得了重大成果。

2 新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用情況

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用情況

目前新能源汽車(chē)電機(jī)的主要為永磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩密度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低、振動(dòng)噪聲小等特點(diǎn)，具有寬廣的弱磁范圍和高轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力，可以顯著增強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)的啟動(dòng)、加速性能，在電動(dòng)轎車(chē)中，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用情況更加凸現(xiàn)其使用價(jià)值，近年來(lái)新出廠的新能源汽車(chē)90%采用了永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能要求

新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要滿足如下要求。

（1）有合適的轉(zhuǎn)矩特性和功率特性。

（2）新能源汽車(chē)各種性能指標(biāo)要優(yōu)良，尤其是動(dòng)力性要好，包含低速高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和爬坡能力、高速恒功率巡航。

（3）要有較寬的調(diào)速范圍，能以3至4倍基速恒功率運(yùn)行，在滿足逆變器電壓情況下有高峰值轉(zhuǎn)矩。

（4）電機(jī)效率高低決定了汽車(chē)行駛能力，特別是新能源汽車(chē)使用一段時(shí)間后，電機(jī)效率的高低是決定汽車(chē)的續(xù)航能力的一個(gè)重要指標(biāo)，電機(jī)效率越高，續(xù)航能力越強(qiáng)。

（5）電機(jī)在不同工作狀況下運(yùn)行，會(huì)頻繁啟動(dòng)、停車(chē)和急加速，這時(shí)要求有大的轉(zhuǎn)矩，要示電機(jī)要有具有短時(shí)過(guò)載和能力。

（6）運(yùn)行中具有可靠性和容錯(cuò)能力。

（7）合適的價(jià)格。

新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正朝高控制精度化、集成化、高度永磁化、永磁材料新型化、電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速寬、回饋制動(dòng)效率高、高電機(jī)功率和高功率密度等方向發(fā)展。

3 永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能

近年來(lái)，許多研究者在優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能方面做了大量的研究、假設(shè)和嘗試，已取得不少成果。為了解決槽寬和齒部寬度的矛盾，開(kāi)發(fā)了橫向磁通電機(jī)，電樞線圈和齒槽結(jié)構(gòu)在空間上垂直，主磁通沿著電機(jī)的軸向流通，提高了電機(jī)的功率密度；采用雙層的永磁體布置，使得電機(jī)交軸電導(dǎo)提高，增加了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和最大功率；改變定子齒形和磁極形狀以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。合理的永磁材料及尺寸，如寬度、厚度、氣隙磁密等，也對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能優(yōu)化起到一定作用。

3.2 提高擴(kuò)速能力

為了提高永磁電機(jī)的擴(kuò)速能力，新能源汽車(chē)目前普遍采用弱磁擴(kuò)速，采用弱磁控制后的永磁同步電機(jī)，還可在同行功率情況下，通過(guò)降低逆變器容量來(lái)提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。

4 新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案

4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型選擇

在轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)主要有表面式與內(nèi)置式兩種方式，新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路中永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，機(jī)械強(qiáng)度高，能有效減小電機(jī)的尺寸。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)漏磁系數(shù)大，有助于提高電機(jī)的抗去磁能力。由于表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)弱磁控制，無(wú)法適應(yīng)汽車(chē)的高速運(yùn)行的要求，一般新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上比較少用。

4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)初步選取

4.2.1 確定電動(dòng)汽車(chē)受力

電動(dòng)汽車(chē)受力有：地面阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力。汽車(chē)正常行駛時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力與這些阻力形成平衡關(guān)系，這一關(guān)系用汽車(chē)的行駛方程來(lái)表示。

4.2.2 確定電機(jī)最大功率

選擇電機(jī)的最大功率應(yīng)當(dāng)大于汽車(chē)在此車(chē)速下行駛的阻力功率的和，以滿足實(shí)際負(fù)荷需要。通常在此情況下，是指在平滑良好的瀝清路面的阻力功率。

4.2.3 確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

根據(jù)汽車(chē)經(jīng)常行駛的速度、汽車(chē)減速器傳動(dòng)比、減速器傳動(dòng)比、車(chē)輪參數(shù)來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

4.2.4 確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩峰值主要是通過(guò)汽車(chē)的爬坡能力來(lái)確定，這時(shí)忽略加速阻力和空氣阻力。

4.2.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本性能參數(shù)的選取

由前面可以看到，新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，需要與汽車(chē)整車(chē)參數(shù)和目標(biāo)要求綜合考慮，根據(jù)汽車(chē)整車(chē)的整備質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)、傳動(dòng)效率、滾動(dòng)阻力系數(shù)、主減速器比、減速器比、迎風(fēng)面積、滾動(dòng)半徑和汽車(chē)的目標(biāo)性能參數(shù)如最大車(chē)速、經(jīng)常車(chē)速和爬坡速度與爬坡度等來(lái)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本性能參數(shù)。

4.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要尺寸計(jì)算

定轉(zhuǎn)子主要尺寸的計(jì)算，要考慮至新能源汽車(chē)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的限制，永磁同步電機(jī)必須要明確計(jì)算電機(jī)功率輸出能力與主要尺寸之間的解析關(guān)系，以平行齒平底槽為例，解析定子內(nèi)徑與定子外徑之間的關(guān)系；定子槽型主要尺寸計(jì)算可根據(jù)上述的推導(dǎo)可以計(jì)算出定子內(nèi)外徑的尺寸，然后進(jìn)行槽型尺寸的計(jì)算；永磁尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)非常重要，其主要包括磁化方向厚度、磁化方向?qū)挾纫约拜S向長(zhǎng)度；繞組參數(shù)的方面，定子繞組是電機(jī)的重要組成部分，其主要是提供電流通路的，由于實(shí)踐中定子繞組的沖類比較多，因此基于新能源汽車(chē)的需要，一般會(huì)采取三相雙層同心繞組，采取星型連接。

5 結(jié)語(yǔ)

《中國(guó)制造 2025》提出“節(jié)能與新能源汽車(chē)”作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，繼續(xù)支持電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)發(fā)展，掌握汽車(chē)低碳化、信息化、智能化核心技術(shù)，提升動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、智能控制等核心技術(shù)能力。新能源汽車(chē)必須不斷提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整車(chē)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，使電動(dòng)汽車(chē)的操控性、安全性和舒適性達(dá)到傳統(tǒng)燃油車(chē)水平，而使用成本、保養(yǎng)成本又比傳統(tǒng)燃油車(chē)低，這樣才會(huì)在市場(chǎng)占有一席之地。

[1]王高明． 純電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)．

[2]曲榮海，秦川．電動(dòng)汽車(chē)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望． 南方電網(wǎng)技術(shù) ．

[3]楊麗．永磁同步電機(jī)已成為新能源車(chē)主流電驅(qū)動(dòng)核心．

[4]溫有東．電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)的研究．哈爾濱工業(yè)大學(xué)．

Key technologies of new energy vehicle drive motor

Hu Yong , Guan Tian cong , Tan Yong jiang , Li Zhi hui
（Yangjiang Vocational and Technical College,Yang jiang Guang dong , 529566）

IThis paper introduces the drive motor assembly and the basic working process of new energy vehicles; the type and application of new energy automobile motor are summarized, a large number of examples, the permanent magnet synchronous motor is widely used in new energy vehicles, but also has the characteristics of high power and high density; summarizes several key technology of permanent magnet motor; summarizes the design scheme of permanent magnet motor.

new energy vehicle; drive motor; key technology