新能源电动汽车用电机简述

任寿萱

（凯捷利集团苏州高性能机电研究院，江苏 苏州 215153）

新能源汽车电机驱动系统主要由电机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成。电机驱动系统既是新能源电动汽车的核心部件之一，也是关键系统之一，起到驱动车辆前进以及回收制动能量的作用，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。在纯电动汽车和燃料电池汽车中，作为惟一的驱动力来源，它提供车辆行驶全部的驱动力，相当于传统汽车的发动机；由于系统能够工作在回馈制动状态，在车辆制动时，车辆的动能通过驱动系统的发电特性转换为电能，存储到车载电源系统中，具备了传统发动机无法实现的能量回馈功能。在混合动力汽车的电机驱动系统中，其作用主要包括动力供应，平衡发动机功率和回馈能量3种，根据混合度的不同，其作用略有差别。

1 新能源电动汽车对电机的要求

电动汽车用驱动电机的性能好坏，将直接影响到电动汽车的频繁起步、停车、加减速性能、高速行驶以及爬坡等重要技术性能。为满足电动汽车的动力性、经济性和排放性，新能源电动汽车对驱动电机有一些特殊的要求，在电机设计制造时必须予以充分考虑。

1）以电磁转矩为控制目标，加速踏板和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值，要求电机转矩响应迅速，转矩波动小，稳定性好。

2）由于电动汽车行驶时，有起动、加速、巡航、减速和制动等多工况，要求驱动电机具有较宽的调速范围，能在四象限内工作。为保证加速时间，要求电机在低速时具有大的输出转矩及过载能力 （一般为额定转矩2～4倍），过载时间达3 min以上；为保证电动汽车在巡航时达到最高转速行驶，电机在高速行驶时具有高的功率，最高转速一般为基速的2倍以上。

3）电机的损耗要低，在整个运行范围内具有高效率，提高1次充电的续航里程。

4）电动汽车减速时能实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，能量回收率应占总能量的10%～15%。

5）电机的安全性应符合国家有关车辆电气安全性能的标准规定，对高电压的还需装备高压保护装置。

6）可靠性高，电机的耐振、耐温和耐湿性能力强，能在恶劣的气候环境和各种道路上长时间工作。

7）电机运行噪声低。

8）电磁兼容性好。

9）由于电动汽车留给电机的安装空间有限，整车又要求轻量化，因此驱动电机整机的体积要尽可能小，质量尽可能轻。结构简单，使用维护方便。在允许范围内尽量采用高电压。

10）价格合理，经济性好，适合于批量生产。

2 新能源电动汽车驱动电机的种类

根据驱动电机的工作原理、结构的不同，新能源电动汽车驱动电机的分类如图1所示。

电动汽车在早期采用的是直流电机，随后逐步采用交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。

2.1 直流电机

早期的电动汽车用驱动电机大多采用直流电机。直流电机能得到大量的应用，最主要的原因是因为它具有优良的转矩特性、控制原理和控制装置简单、控制成本低、起动和加速转矩大、调速性能好且比较方便等优点，但其致命的缺点是有电刷和机械换向器，限制了电机过载能力、速度、功率体积比、功率质量比和效率的进一步提高，换向时产生噪声，换向器表面会产生电火花和电磁干扰，可靠性降低，需要定期维护，极大地影响了它的应用场合，现在某些电动汽车仍有采用。

与其他通用电机相比，在电动汽车用直流电机设计时，应使电机在耐高温、抗振动、低损耗、抗负载波动、小型轻量化和免维护等方面，给予特殊的考虑。

根据励磁绕组的不同，直流电机可分为他励和自励两种。自励又可分为串励、并励和复励3种。自励多应用于小功率直流电机，而他励则多用于中大功率直流电机，早期的电动汽车用驱动直流电机以他励居多。

直流电机的调速控制主要是通过改变电枢电压，采用PWM斩波器和PI调节器来实现调速控制。不同类型的斩波器适用于不同的模式，单象限型适用于电动模式；二象限型适用于电动或再生制动模式；四象限型适用于通过电子控制的正向电动和反向制动模式。直流电机的电压、转速和转矩特性曲线如图2所示。

直流电机在新能源电动汽车上的应用实例如表1所示。

2.2 交流感应电机

交流感应电机又称交流异步电机。随着微电子、电力电子技术和自动化控制技术的快速发展，电动汽车上采用交流感应电机作为驱动电机日益增多，特别是国外对交流异步铸铜转子感应电机作为牵引电机的使用非常重视。与直流电机相比，其结构简单坚固、质量轻、体积小、低成本、效率高、价格低廉。电机的定子输入频率可在较大范围内变化，调速范围宽，是电动汽车用驱动电机的理想选择，尤其是对驱动系统功率需求较大的电动客车。但异步电机低速运行时，也存在着效率低、发热严重、控制系统复杂等有待克服的技术问题。

交流感应电机有鼠笼转子式和绕线转子式。绕线转子式可通过改变外电路参数来改善电机的运行性能，但其成本高、需要维护、耐久性不足，因而它没有鼠笼转子式应用那么广泛，特别是在纯电动汽车和混合动力汽车上。

电动汽车上使用的交流感应电机的额定电压一般为380 V，电动轿车 （包括其他类型的乘用车）功率为20～80kW，电动大客车 （包括货车）功率为100～150kW。

电动汽车采用交流感应电机时，应合理选定电机的容量，尽可能地避免出现 “大马拉小车”的现象，尽量缩短电机空载运行的时间，需根据有关动力性能参数正确予以选择。

目前，国内外高性能的电动汽车交流感应电机控制，主要是矢量控制和直接转矩控制两种控制方法。矢量控制方法已较成熟，应用普遍，直接转矩控制方法则有待于进一步提高完善。矢量控制系统的三相交流感应电机的机械特性如图3所示。

交流异步电机在新能源电动汽车上的应用实例如表2所示。

表2 交流异步电机应用实例

2.3 永磁同步电机

永磁同步电机具有高功率密度、高效率、易散热、高可靠性和较好的动态性能等特点，是当前电动车辆驱动用电机的研究热点。

永磁同步电机可分为交流永磁同步电机 （PMSM）、直流无刷永磁电机 （BLDCM）和新型永磁电机 ［混合式永磁电机 （HSM）、续流增磁永磁电机］三大类，目前电动汽车主要采用的是前2类。

2.3.1 交流永磁同步电机 （PMSM）

交流永磁同步电机是反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的交流永磁电机，又称为正弦波永磁同步电机，采用定子磁场定向矢量控制及转子连续位置反馈信号来控制调速或换向。

电机由定子和转子组成，定转子之间有气隙，定子和普通交流电机相同，定子槽内嵌入三相绕组。转子采用永磁体励磁，根据永磁体在转子上安放的位置不同，转子可分为3种结构：①永磁体表面凸出式结构，电机的极性是隐极式；②永磁体表面嵌入式结构，电机的极性是凸极式 （凸极度低）；③永磁体内置式结构，电机的极性是凸极式 （凸极度高）。

永磁同步电机所用的永磁材料一般为钕铁硼，由于钕铁硼永磁材料具有很高的剩余磁感应强度、矫顽力和最大磁能积，故可大大地提高电机的功率质量比。采用钕铁硼制成的永磁同步电机的体积较小，质量较轻，得到广泛的应用。

永磁同步电机根据转子对定子的相对位置不同，可分为3种：①外转子式，将内定子固定在电机的中心，外转子处在内定子外圆外，围绕电机的中心作旋转运动。②内转子式，是将外定子固定在电机的中心，内转子在定子内腔内，围绕电机的中心作旋转运动。外转子式和内转子式2种方式属于圆柱式电机，气隙是圆柱面的，气隙磁场是径向的，称为径向磁场电机，普通的永磁电机均属此类。③盘式，与圆柱式电机不同，其定、转子均为圆盘形，在电机中对等放置，气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，故又称轴向磁场电机。其结构简单紧凑，轴向尺寸短，有较高的功率和质量比。

以上3种结构的电机各有特点，但相比之下，现在电动汽车上采用较多的是内转子式电机。

交流永磁同步电机无需励磁电流，效率和功率因数高，体积小，结构简单可靠；PMSM交流伺服系统具有频带宽、反应快、精度高、调速范围宽等特点；功率驱动器静止无噪音、运转时无电火花。因此在低速直接驱动的场合，PMSM具有比交流感应电机及直流无刷永磁电机更优越的性能。

自20世纪80年代以来，随着微电子、电力电子技术、永磁材料技术和交流可调速驱动技术的发展，交流永磁同步电机驱动系统技术有着长足的进步。90年代后，采用全数字控制的正弦波永磁交流驱动系统，技术上已趋于完全成熟，并实现了商品化。由于具有十分优良的低速性能，又可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，进一步满足了电动汽车高性能驱动的要求，随着永磁材料技术及控制技术的飞速发展，又进一步提高了PMSM性价比，因此PMSM在电动汽车驱动系统上的应用会越来越广泛。

永磁同步电机的机械特性如图4所示。永磁同步电机在新能源电动汽车上的应用实例如表3所示。

表3 永磁同步电机应用实例

2.3.2 直流无刷永磁电机 （BLDCM）

直流无刷永磁电机是在传统直流电机基础上发展起来的，其电磁结构和传统直流电机一样，是反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的直流永磁电机，又称为矩形波永磁同步电机。

BLDCM电机定子采用集中绕组，内置PTC热敏电阻进行热保护，霍尔元件作为位置传感器，在转子中嵌入永磁体，通过转子位置传感器、控制电路和换向电路共同构成电子换向，代替电刷机械换向的作用，取消了电流的滑动接触机构。电机相数可有三相、四相、五相甚至十几相等，采用自然冷却或外加风机对电机进行强迫通风冷却。

当定子绕组为星形接法时，直流无刷永磁电机的控制器采用半桥电路或全桥电路；定子绕组为三角形接法时，只能采用全桥电路。电机的极数少时其效率高，极数多时则转矩脉动小，但极数过多会导致结构复杂和控制功率开关管增加，成本相应变大，目前采用最多的是三相全桥星形两两通电的驱动控制方式。

基于直流无刷永磁电机其原理上存在的固有缺陷，如运转时存在着转矩脉动较大、铁心附加损耗大等缺点，限制了它在高精度、高性能要求的驱动场合的应用，尤其是在低速直接驱动场合，因此适用于一般的精度及性能要求的场合。

但是BLDCM电机结构简单，质量轻，维护方便，无转子损耗，易实现高速和快速制动，高效率，动态响应性能好，控制简单，机械特性较硬，具有和传统直流电机一样好的转矩-转速控制特性，能实现大范围调速和定位控制，成本低，对于在运行在恶劣环境下的电动汽车而言，无疑特别地适用，因此其在电动汽车中的应用有日益扩大的趋势。

直流无刷永磁电机的机械特性同图4。直流无刷永磁电机在新能源电动汽车上的应用实例如表4所示。

表4 直流无刷永磁电机应用实例

2.3.3 新型永磁电机

1）混合式永磁电机 （HSM）在电动汽车上采用混合式永磁电机，是电动汽车用驱动电机的一个新的研究方向，目前大量商业化应用尚未开始。混合式永磁电机从原理上说可以有很多种，但目前只有以下3种。

第1种是永磁和磁阻的混合，它有2种混合方式，一是将永磁体嵌入转子回路中，永磁同步电机同时产生永磁转矩和同步磁阻转矩；二是把永磁体和开关磁阻结构结合起来，成为具有高效、高功率密度和宽调速范围的双凸极永磁电机 （DSPM）。

第2种是把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中，综合利用永磁转矩和磁滞转矩。这种磁滞混合电机具有起动转矩高、运行平稳、噪音低等独特的优点，很适用于电动汽车。

第3种是把永磁体置于转子内，直流励磁绕组安放在定子上，通过控制励磁电流的大小和方向，很容易调节电机的气隙磁通，达到满足电动汽车要求的转矩／转速特性。

2）续流增磁永磁电机 续流增磁永磁电机是一种复合励磁的特殊直流电机，它兼顾了串励直流电机和他励直流电机的优点，采用稀土永磁和增磁绕组复合励磁方式，转子采用无槽结构，增磁绕组接在电机的续流回路中，利用续流回路内的电流进行增磁，和稀土永磁体共同产生复合磁场，产生全新的自动弱磁调速理念，很好地满足电动汽车低速增磁增矩、高速弱磁增速的特性要求；双象限范围运行，实现电动汽车再生制动；采用PWM控制，运行时噪声低，具有独特的优越性。

2.4 开关磁阻电机 （SRM）

开关磁阻电机又称可变磁阻电机，1883年就用于机车牵引，到现代功率电子学和大功率计算设备的出现，它的潜能才得以充分的发挥。作为一种新型的特种电机，它是集电机技术、现代电力电子技术与计算机控制技术相结合的产物，近20年来备受重视。它综合了感应电机和直流电机传动系统的优点，有着无磁钢、成本低、效率高、结构简单坚固、容错性好、低速输出转矩高等很多优良的特点，特别适合于电动汽车在各种工况下运行，为电动汽车行业所关注。

开关磁阻电机是电动汽车驱动系统用的驱动电机中极具竞争力的电机，是当前电动汽车驱动电机的又一个新的选择，在混合动力汽车和纯电动汽车中已得到成功的应用，具有良好的应用前景。国际上如奔驰、沃尔沃、菲亚特、通用等公司，正大力发展电动汽车用开关磁阻电机。

开关磁阻电机是基于 “磁阻最小”的原理设计的新型具有凸极结构的电机，其相数可以较多，但一般采用的是三相或四相。定子凸极和转子凸极有多种组合方式，定子凸极和转子凸极均为偶数，一般转子凸极数比定子凸极数少2个，共同组成不同极数的开关磁阻电机。

开关磁阻电机的双凸级结构，给电机运行带来了转矩脉动和噪声，将直接影响电动汽车行驶和乘座舒适性，这2个问题以往成为了制约开关磁阻电机进入电动汽车行业应用领域的主要障碍。现在研发的低噪声振动的开关磁阻电机，有效地抑制了运行过程中的转矩脉动及噪声，为开关磁阻电机在电动汽车驱动系统中的应用，起到了积极的推动作用。

开关磁阻电机由于无永磁体，解决了永磁同步电机和无刷直流永磁电机现存的技术问题，如永磁材料的高温下的退磁失磁、成本增高、磁钢的不均匀性造成磁极分布的不均匀而影响运行等问题。

开关磁阻电机具有设计合理、结构紧凑、无永磁体、制造容易、生产工艺简单、成本低、免维护、控制简单等特点，充分发挥了开关磁阻电机起动转矩大、效率高、运行平稳以及安全可靠的特长。研究表明，通过对开关磁阻电机的灵活控制，能够实现在宽调速范围内电动或发电方式下高效率的运转，将它用于混合动力汽车 ISG系统，具有良好的开发利用价值。

开关磁阻电机的控制可以分为电流斩波控制方式 （CCC）、角度位置控制方式 （APC）和电压控制方式 （VC）3种。开关磁阻电机的机械特性如图5所示。开关磁阻电机在新能源电动汽车上的应用实例如表5所示。

表5 开关磁阻电机应用实例

2.5 新能源电动汽车用各种驱动电机的性能对比

以上所述的新能源电动汽车用各种类型的驱动电机，在选定时，应根据电动车辆的电机驱动系统的结构，电动汽车的总体设计目标，行驶性能要求，车辆技术性能指标要求，车载能源系统的性能，电机本身的性能特点，电机及其控制器成本等因素进行综合考虑，然后正确选定。

一般而言，各种类型的电动汽车对其驱动电机的要求各不相同，必须针对主要应用特点，选择最适合的驱动电机方案。例如，高档轿车对电机体积质量要求高，同时要求低转矩脉动和低噪声，可优先选用永磁电机；跑车、概念车及越野车等对加速特性或过载能力要求高，希望有超高速运行能力，可优先选用开关磁阻电机；对于主要在市区较平坦路况行驶的经济型大众化私家车、邮政车、环保车或观光车等车辆，对电机性能要求不是很高，但对低成本要求高，则可优先选用交流异步电机；对于采用 AMT（自动换档）的车辆，要求电机转速响应快，选用开关磁阻电机是最佳的选择；对于要求较大功率驱动电机的大型车辆，出于成本和性能稳定性方面的考虑，显然不应优先选用永磁电机。但是究竟采用那种电机为最好，有待于装备各种类型驱动电机的电动汽车在道路上长期行驶，通过实践考验后方能作出，目前业界尚无定论。各种电动汽车用电机性能对比如表6所示。

表6 电动汽车用电机及驱动系统的性能比较表

3 结语

本文对新能源电动汽车用驱动电机的要求及主要性能参数，对新能源汽车的核心关键部件驱动电机，目前所采用的各种类型一一作了解析，分析了各类驱动电机的结构特点、性能、优缺点，列举了在新能源汽车上应用的一些实例。通过本文，可对新能源汽车用驱动电机有一个比较全面的了解，供选用新能源汽车用驱动电机时参考。

［1］胡骅，宋慧.电动汽车 （第2版）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］何洪文.电动汽车原理与构造［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［3］李涵武.电动汽车技术［M］.北京：化学工业出版社，2014.

［4］王志福，张承宁.电动汽车电驱动理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［5］GB 755—2008， 旋转电机 定额和性能［S］.

［6］GB／T 18488.1—2006，电动汽车用电机及其控制器，第1部分： 技术条件［S］.

［7］ GB／T 19596—2004， 电动汽车术语［S］.