电动客车用驱动电机相关问题的探讨

凌　泽，史瑞祥，吴诗宇

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122）

电动客车用驱动电机相关问题的探讨

凌泽，史瑞祥，吴诗宇

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122）

电动客车的驱动电机系统有其特殊性。本文分别就电动客车用驱动电机的性能要求和主要尺寸及重量参数进行探讨，为电动客车用驱动电机系统的设计和检测提供参考。

电动客车；驱动电机；性能要求；相关问题

随着近年来电动客车的普及，国内对驱动电机系统、动力电池系统及充电系统等电动客车关键技术进行了研究和应用，取得了诸多改进与突破［1］。驱动电机系统作为电动客车将电能（或化学能）转化为机械能的关键部件，是电动客车不可缺少的一项关键技术。驱动电机系统的性能、重量、尺寸等参数直接影响着电动客车的整车性能。与工业和民用的驱动电机相比，其具有一定的特殊性。本文就电动客车的特殊性探讨驱动电机系统的性能、主要尺寸和重量等相关问题。在探讨之前，先介绍下电动客车用驱动电机应用现状。

目前，国内电动客车使用得较多的驱动方式为中央驱动。中央驱动电机的种类主要有：交流异步电机、交流开关磁阻电机和交流永磁同步电机。这三种电机的特点比较如表1所示［2］。

表1　三种电机特点比较

因表1中各种电机的特点，交流异步电机多应用于高速电动汽车［3］；交流开关磁阻电机在电动客车上应用得较少；城市电动客车多运行在中低速状态，且起停较多，需要电机低速转矩大。另外，续驶里程和整车轻量化也要求电机具有较高的功率密度。所以，交流永磁同步电机广泛应用于中低速的城市电动客车，而且多采用永磁体内置式的交流永磁同步电机。

1　电动客车性能对电机的要求

某城市电动客车基本参数如表2所示。

表2　城市电动客车基本参数

表2中，CD为空气阻力系数；A为迎风面积；f为滚动阻力系数；η为机械传动效率（本文仅讨论电机输出端机械参数，不需考虑电机的电效率）；r为车轮半径；δ为加速阻力系数；m为电动客车的满载质量；i1、i2、i3、i4为变速器传动比；i0为主减速器传动比（4.0）。

参考GB/T 18276-2000［4］，整车动力性用三个指标来评价：加速、爬坡、最高车速。对于此电动客车，加速指标要求0～40 km/h的加速时间小于20 s；爬坡指标要求大于等于20°，并能以10 km/h速度在爬坡角度为20°的道路上行驶；最高车速指标要求为120 km/h，并能以80 km/h速度长时间巡航。

电动客车的电机输出转矩Te，经过传动系统、输出到车轮上的转矩Tt，驱动车轮产生的整车驱动力Fr。根据汽车理论，有式（1）所示关系：

电动客车行驶时，根据汽车理论，其力平衡有式（2）所示关系：

其中，G为电动客车满载重力；ua为行驶速度，km/h；d u/d t为行驶加速度，m/s2；α为爬坡角度；Fj为地面滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为重力沿坡道分力（坡度阻力）；Fj为加速阻力。

1.1峰值转矩与额定转矩

峰值转矩主要与电动客车起步加速性能、爬坡性能相关。对于起步加速性能，忽略Fw和Fi；对于爬坡性能，忽略Fw和Fi。把式（1）代入式（2）可得到电机峰值转矩如式（3）所示。

对于起步加速性能要求0～40 km/h的加速时间小于20 s（即d u/d t≥0.555 6m/s2），电动客车起步加速过程中低速，传动系统为一档，把表2相关参数代入式（3）得到Temax1≥238.0 N·m；对于爬坡性能要求爬坡角度为20°，低速时传动系统也为一档，把表2相关参数代入式（3）得到Temax2≥1 042.8N·m。故选型的电机峰值转矩为1 100N·m。

另外，额定转矩与电动客车长期运行的状态相关，如电动客车可长期运行在爬坡角度为2°、匀速60 km/h、传动系统为三档的状态。把表2相关参数代入式（2）得到Te=564.8N·m。故选型的电机额定转矩为600N·m。

1.2最高转速与额定转速

电机的最高转速nmax取决于最高车速umax，高速时传动系统为四档，电机最高转速nmax可通过nmax=（umax× i4i0）/（0.377r）来计算。要求最高车速为120 km/h，则电机最高转速nmax需达到2 775.4 r/min。故选型的电机最高转速为2 800 r/min。

另外，额定转速与电动客车可长期运行的状态相关，如电动客车可长期运行在匀速60 km/h左右，传动系统为三档，得到电机额定转速n=1 734.6 r/min，故选型的电机额定转速为1 700 r/min。

1.3峰值功率与额定功率

峰值功率与起步加速性能、爬坡性能和最高车速性能相关。对于起步加速性能、爬坡性能和最高车速性能（忽略Fi和Fj）。由式（2）可得到峰值功率的方程组，有式（4）所示关系。

其中，i为道路坡度；i=tanα。

根据前述性能要求，对于起步加速性能，经计算得到峰值功率Pmax1≥161.4kW；对于爬坡性能，经计算得到峰值功率Pmax2≥188.1kW；对于最高车速性能，经计算得到峰值功率Pmax3≥207.4 kW。故选型的电机峰值功率为220kW。

另外，额定功率与电动客车最高巡航车速相关，如要求电动客车最高巡航车速为80 km/h，则得到P≥105.0 kW。考虑到以上选型的电机额定转矩为600N·m，额定转速为1 700 r/min，额定功率为107 kW，则选型的电机额定功率为107 kW，满足最高巡航车速的要求。

2　电动客车用电机主要尺寸及重量

由电机设计原理［5］可得电机额定功率P与主要尺寸、额定转速n的关系，如式（5）所示。

其中，CA为电机材料的有效利用程度参数（与电机类型和电机制造水平相关）；D为电机径向有效直径；lef为电机轴向有效长度；D2lef为电机有效体积参数（与重量成正比）。

电机功率密度ρ=P/W=（D2lefn/CA）/（πD2/4 lefρe）=4n/（πCAρe）（其中W为电机重量；ρe为电机密度参数），再根据电机外特性P=nT/9 550，可以推导出式（6）。

下面由式（6）出发，针对功率密度、额定转矩进行探讨。

2.1功率密度

由式（6）看出，功率密度ρ由额定转速n、电机材料的有效利用程度参数CA决定。同类型的电机，如果制造水平和电机结构都相同，则功率密度完全由额定转速决定。某些厂家的电机功率密度与额定转速的关系如表3所示。

表3　功率密度与额定转速的关系

从表3看出，电机功率密度随额定转速增大而增大；在相同额定转速下，功率密度还与电机类型相关。但是，随着额定转速的升高，机械损耗和转子铁耗都会增大，功率密度随转速的提高有限，而制造成本增大许多，因而额定转速也不宜太高。

2.2额定转矩

由式（6）看出，额定转矩T由电机有效体积参数D2lef、电机材料的有效利用程度参数CA决定。如果制造水平和电机结构都相同，额定转矩完全由电机有效体积参数（与重量成正比）决定。某些厂家的电机额定转矩与电机重量、转矩密度的关系（转矩密度）如表4所示。转矩密度等于额定转矩除以重量。

表4　额定转矩与电机体积（或重量）的关系

从表4看出，电机额定转矩随重量增大而增大，转矩密度与电机材料的有效利用程度参数相关。另外，由电机原理［5］得知：转矩大的电机需要的极对数p较大，定子冷却面积也要求较大，导致电机端面尺寸和重量也较大。这两方面都导致额定转矩增大，重量也增大。但是，电动客车驱动电机系统输出转矩增大，可以使变速器的重量和体积减小。同理，电动客车输出转矩减小，可使变速器的重量和体积增大。所以，在进行电机额定转矩的选择上需同时考虑变速器的重量和体积［5-6］。

在额定转矩一定的情况下，电机有较细长和较短粗两种形状。引入主要尺寸比λ［5］，下式所示λ=lef×2p/（πD）。

电机λ较大，也就是电机较为细长，绕组端部变短，端部用铜（铝）量相应减少，绕组铜的利用率提高，各结构部件尺寸较小，重量轻，成本低，转动惯量小。高速电机为了满足较好的加速、制动性能，多采用主要尺寸比λ大的电机［7］。

而对于大转矩的电机，直径较大，主要尺寸比λ较小，也就是电机形状较为短粗。有时为简化减速器或变速器的设计，多采用主要尺寸比λ小的电机。

针对本文中的电动客车用驱动电机的额定参数，选用尺寸φ370×420，质量260 kg的电机。

3　结束语

通过以上探讨，对电机有关性能、尺寸和重量等参数的选取和关系有了一些认识，这些都是设计和检测电动客车用驱动电机时经常会用到的。后续工作需要根据电动客车的特点，对电机关键参数的选择和关系展开进一步研究，尤其是电机与变速器的统筹考虑方面，需要探索出电动客车用驱动电机的最优选择方案。

［1］王丹，续丹，曹秉刚.电动汽车关键技术发展综述［J］.中国工程科学，2013（1）：68-72.

［2］彭海涛，何志伟，余海阔.电动汽车用永磁同步电机的发展分析［J］.微电机，2010（6）：79-81.

［3］窦汝振，辛明华，杜智明.基于矢量控制的电动汽车用异步电动机弱磁控制方法［J］.电机与控制应用，2009（5）：25-27.

［4］全国汽车维修标准化技术委员会.汽车动力性台架试验方法和评价指标:GB/T 18276-2000［S］.北京:中国标准出版社，2000.

［5］程福秀.现代电机设计［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［6］曾虎，黄菊花.纯电动汽车的电机与变速器匹配［J］.装备制造技术，2010（2）：40-42.

［7］王孝伟，李铁才，石坚.高密度电机主要尺寸、功率和散热能力关系研究［J］.微特电机，2011（12）：1-3.

修改稿日期：2016-02-14

Discussion on Related Issues About Driving Motor of Electric Buses

Ling Ze，Shi Ruixiang，Wu Shiyu
（Chongqing Vehicle Test&Research Institute，National Coach Quality Supervision &Inspection Center，Chongqing401122，China）

The driving motor system of electric buses has its particularities.The authors discuss the performance requirements，the main dimensions and weight parameter of the driving motor for electric buses in order to provide the references for the electric buses design and test of the driving motor system.

electric bus；driving motor；performance requirement；related issue

U469.72；U463.63+1

B

1006-3331（2016）03-0013-03

凌泽（1966-），男，工程师；主要从事新能源汽车检测技术的研究工作。