新能源汽车驱动电机发展现状及趋势研究

庄勋

摘 要：随着全球汽车行业不断朝着新能源汽车方向发展，新能源汽车中使用到的各种零部件也迎来了很大的发展契机。以驱动电机为代表，由于各供应商的技术路线不一样，在产品的性能和对车辆的影响程度上存在比较大的差异。本文对新能源汽车中使用的驱动电机发展现状和将来发展的趋势进行了较为详细的说明，并着重对永磁电机和轮毂电机当前发展的状况和技术瓶颈等进行分析，对驱动电机未来发展的趋势进行了预测，希望能对相关行业起到一定的参考作用。

关键词：新能源汽车;驱动电机;永磁电机;轮毂电机;发展现状;趋势

1 引言

据资料显示，2018年我国的新能源汽车全年累计生产台数为127万辆，全年累计销量为125.6万辆。占据了当前全部汽车销量的4.5%，而在2017年，这一数据还不足3%。从当前的数据来看，2019年的比例将会更高。新能源汽车的发展势头如此迅猛，给驱动电机的发展带来了广阔的前景和机遇。当前，电机的相关技术发展，受到了新能源汽车行业的广泛关注。

2 电机技术发展现状

当前，电机技术主要存在直流电机、交流电机、永磁同步电机、轮毂电机和开关磁阻电机这几大类。直流电机和交流电机根据特性来分类又可以再次分类。这几种电机各有自己的特点，以转速范围来区分，开关磁阻电机最高，在15000r/min以上，其次是交流异步电机，转速范围约在12000-15000r/min，永磁同步电机转速范围比较大，大约在4000-15000r/min，而直流电机转速最低，在4000-6000r/min之间;以性能的可靠性和结构的牢固性来区分，交流异步电机和开关磁阻电机的可靠性最强，其次是永磁同步电机，而直流电机的安全可靠性需要再加强;以体积和重量来区分，永磁同步电机和开关磁阻电机具有体积小、重量轻的优点，而直流电机体积大，重量也重，交流异步电机居于其中;从成本上来看，交流异步电机和永磁同步电机最高，直流电机成本低，开关磁阻电机居中。

近些年，受到新能源汽车发展的影响，我国的驱动电机研究水平也得到了很大的提高，在新能源汽车搭载方面，已经开发出了适合其使用的各种驱动电机。不过与国外先进水平相比，我国在以下技术参数方面还存在着一定的差距：

①电机的峰值转速

峰值转速的高低作为驱动电机的重要指标，是衡量驱动电机水平的一个重要参数。在永磁电机重，我国自主产品基本在10000r/min以内，而国外先进的同类型产品基本超过了10000r/min;

②功率的密度

目前，我国的永磁同步电机功率密度基本在1-2kw/kg的范围内，而国外先进水平已经超出了这个值。为了追赶国际上的先进水平，我国也制定了2020年要达到3.5kw/kg的目标值。

③效率

在效率方面，我国电机的最高效率基本在94%-96%的范围水平，和国际上西门子、Remy等先进企业的水平相差无几，不过，在高效区的面积方面，我国电机的水平和国际上先进的水平相比，还存在不少的差距，比如在系统的效率80%以上，我们称之为高效区，在这一区域，我国的电机总的达到时间比较少，正常运行时高效区面积基本占比为73%左右，而国外先进的技术已经达到了80%以上。

④冷却方式

为了提高电机的运行效率，降低由于高温带来的点击运行故障，仅仅依靠自然冷却，显然无法满足使用要求。因此，必须依托其它的冷却技术来降低电机运行时的温度。当前，国内的电机冷却方式较常见的为水冷，国外的先进企业采用的冷却方式为油冷。与水冷方式相比，油冷的冷却效果要好很多。

3 永磁同步电机的发展瓶颈

第一，功率的密度有限

为了提高电机的功率，通常会采用提高电机的扭矩或者转速。不过，这两种方式都有一定的弊端，提高电机的扭矩，会造成国在电流的增大，使得电机的温度升高，并且，由于水冷的能力有限，给电机的散热带来不利的影响;而提高電机的转速，在高速运转时铁磁的损耗会增大，这时，就需要采用性能更好的低饱和硅钢片，这样就会造成电机的制造成本上升，不利用整体成本的控制。

第二，受材料影响，造成性能上存在一定的缺点

永磁同步电机中的永磁材料，是影响永磁电机性能的重要一项因素。当前，我国的永磁材料为钕铁硼，这种材料的缺点为温度的稳定性较差、存在不可逆的损失、温度的系数较高、以及在高温时铁磁的性能损失比较严重，从而进一步影响到整个电机的运行性能。

第三，受生产工艺技术限制，不良率较高

制造业最重要的除了开发技术水平，还有生产制造的经验积累。由于我国在这方面的投入时间较短，虽然技术上已经朝着国际的先进水平发展，不过在制造方面，由于缺少经验的积累，生产过程中的不良率较高，直接影响到产能，无法形成大规模的配套。随着新能源汽车的大规模发展，永磁同步电机的工艺技术水平必须要突破当前的限制，才能满足未来巨大市场的需求。

4 轮毂电机的发展

轮毂电机的技术，最早应该是保时捷应用到纯电动的汽车中。经过多年的技术发展和沉淀，全球很多知名的电机厂家已经相继开发出各种规格的轮毂电机产品，以满足新能源汽车的发展需求。由于各企业走的技术路线不同，产品的性能以及体积大小存在一定的差异。以英国的Protean、法国的TM4和杭州亚太依拉菲这三家企业为例，在重量上，杭州亚太依拉菲重量为23kg，法国的TM4居中，为26k，而英国的Protean公司产品最重，达到了34kg。在峰值扭矩和峰值功率方面，杭州亚太依拉菲分别为700Nm和75kw，法国的TM4分别为1700Nm和120kw，而英国的Protea吗分别为1250Nm和75kw。在额定扭矩和额定功率方面，杭州亚太依拉菲的轮毂电机暂时没有该方面的信息数据，法国的TM4分别为600Nm和37kw，英国的Proteam分别为650Nm和54kw。

与其它类型的电机驱动相比，轮毂电机存在以下的优点和缺点。

优点如下：

①效率较高，由于采用的时直接驱动车轮的方式，动力传输方面能量损失较少，有利于车辆的节能;

②控制比较方便。通过直接控制车轮的转速和扭矩，减少了转弯的半径，在制动回收率方面效率较高;

③在空间配置上，由于与轮毂集成化，可以省去车子前舱的一部分空间，因此，有利于车辆的轻量化。

④由于集程度高，可以实现各功能的模块化开发。当进行不同项目开发时，可以有效采用其它项目的部分模块，有利于开发费用的降低和开发周期的缩短。并且，利用现有成熟技术，降低了新技术的使用而带来的市场风险。

它的主要缺点如下：

①弹簧下的质量增加了，影响到操控。进而使得悬架的响应时间较长;

②电机在运行时所造成的热量，由于电机是内置式，不利于热量的散发，从而影响到电机的性能以及使用寿命;

③电机和轮毂是高度集成，而轮毂的工作环境比较恶劣，防水防尘和防振方面存在较多不利的影响;

④由于电涡流的制动容量较低，需要其它机械制动系统共同完成某些动作，能耗方面比较大。

鉴于轮毂电机在性能上存在的一些缺点，技术人员也提出了一些对应措施，主要的技术手段如下：

①针对稳定性和舒适性方面，通过对减振系统的优化，达到降低减振的效果，比如，合理的布置质量，改变结构，以此改变车辆制动部分的固有频率;通过建立模型，对悬挂系统的刚度和阻尼的参数匹配与悬架和车轮进行合理的匹配，以降低簧下的质量，提高稳定性;

②针对散热问题，通过液冷使用高导热系数环氧树脂对定子、机壳和液冷铝环进行浇注，在转子上开槽，利用转子在旋转时带动电机内的空气流动达到散热的效果;

③针对制动回收问题，将车速、轮毂电机的制动力矩、电机的转速为输入，并优化控制策略，创新布置电动汽车前后轴的制动力;

④针对工作环境恶劣的问题，在轮毂电机外壳的设计上，通过形状的设计优化，达到防尘防水等问题，并且，对轮毂电机和整车的匹配性进行优化分析，以达到消除减振的目的，从而降低电机的振动问题。

在各大电机企业中，由于仍存在制造成本高、构成系统复杂等问题，使得轮毂电机当前在新能源汽车中的应用受到一定的限制。不过随着技术研究的不断深入，相信这一问题会得到解决。

5 未来驱动电机发展趋势分析

当前新能源汽车的制造中，也多以永磁同步电机为主。而交流异步电机在功率密度上存在一定的局限性，电机和控制器的成本也比较高，未来的市场必将逐渐减少。而轮毂电机随着技术的不断完善和成熟，在新能源汽车市场中的应用会逐步扩大。前文中所讲述到的开关磁阻电机，虽然在功率密度等方面具有较好的性能，不过由于其体积较大，运行时的噪音比较大，很难被汽车制造厂家接收，因此，需要解决这一重要问题，才有可能会在新能源汽车市场中得到应用。

总体上来看，驱动电机的趋势主要为：①高度集成化。它将会覆盖电子控制器的集成和机电耦合的集成;②效率大幅提升。由于功率密度的提高，运行效率会大大提升，同时，工艺技术的优化，使得制造成本降低;③智能化和数字化，通过与车辆的计算机控制系统相结合，与控制器高度配合，从而进一步提升驱动系统的性能。

6 结语

新能源汽车作为未来汽车行业的发展趋势和方向，在未来的数年，必将会得到高速发展。作为新能源汽车的动力驱动来源，驱动电机的性能对整个车辆的运行性能起到了非常重要的影响。我国为新能源汽车的发展提供了良好的政策环境，作为新能源汽车的核心零部件，驱动电机的零部件制造商也要抓住机遇，通过持续研究和試验，不断提高技术水平，并针对当前驱动电机在实际用于中存在的问题进行对策分析，提出有效的改善措施，为我国新能源汽车的事业发展做出贡献。

参考文献：

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