新能源汽车驱动电机选型的研究与探索

陈香玉

摘 要：随着不可再生能源的日渐枯竭，新能源汽车成为目前世界上汽车产业发展的主流产业。驱动电机作为新能源汽车的主要零部件，承担着新能源汽车在节能减排、降耗、增效等关键指标，也是新能源汽车的三大核心系统之一。基于此，本文以驱动电机为研究对象，通过比较几种常用的驱动电机在新能源汽车上的设计及开发要点，并提出永磁同步电机在新能源汽车上应用的重要性。

关键词：新能源汽车 驱动电机 设计开发

Abstract：With the depletion of non-renewable energy， new energy vehicles have become the mainstream industry in the development of the world's automobile industry. As the main component of new energy vehicles， the drive motor bears the key indicators of energy conservation and emission reduction， consumption reduction and efficiency increase of new energy vehicles， and is also one of the three core systems of new energy vehicles. Based on this， this paper takes drive motors as the research object， compares the design and development points of several commonly used drive motors in new energy vehicles， and puts forward the importance of permanent magnet synchronous motors in new energy vehicles.

Key words：new energy vehicles， drive motors， design and development

1 引言

随着国民经济的快速发展，汽车的使用量日渐攀升，石油作为一种不可再生资源，也是日渐枯竭，而传统燃油汽车使环境污染日渐严重，这也成为制约经济发展的最大难题。新的可再生能源有太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能，目前已经在研究应用的新能源汽车有纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车，对于电能作为唯一能量来源的纯电动汽车来说已经在应用的有太阳能发电、风力发电等。

而驱动电机作为新能源汽车上的重要的驱动系统，那么对驱动电机也提出了更高的要求，比如低速高转矩及宽范围的功率特性、高转速、体积小、重量轻、安全性能好、寿命长等。驱动电机作为新能源汽车的三大核心部件之一，早期以直流电机为主，随着技术的不断进步，交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机应用也越来越广泛。目前应用最多的是交流感应电机、永磁同步电机，以下是关于几种电动机的对比。

从表1可以看出，目前新能源汽车上应用最多的是交流异步、永磁同步和开关磁组电机，但是开关磁组电机目前的年产量只有2000台，远远不能满足当前新能源汽车的生产需求，因此交流异步和永磁同步电机是目前新能源汽车上的主流产品。本文将从这几种电动机的结构、设计及开发要点等方面来谈一谈在新能源汽车驱动方面的利弊，以提出更加适合的一种电动机驱动系统。

2 直流电机

2.1 直流电机的结构

直流电动机按照励磁方式分可分为励磁式和永磁式的电动机。直流电动机主要由静止的定子（励磁）和旋转的转子（电枢）两部分组成。定子和转子之间的间隙称为气隙。定子主要由主磁极、换向器、机座、电刷装置组成。主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由定子铁芯和定子绕组组成。

2.2 直流电机的特点

在电动机的发展史来看，世界上研发出的第一台电动机就是直流电动机，也是优点和缺点并存的，直流电动机的优点是，直流电动机结构简单，维护方便，且具有优良的电磁转矩控制特性，适合新能源汽车所要求的高速低转矩，低速高转矩的要求；直流电动机的缺点是，直流电动机体积和质量较大，比较繁重，而且在直流电动机内部还带有换向器和电刷，不仅使直流电动机在检修方面增加了难度，而且在直流电动机高速运转的时候会产生电火花造成电磁干扰，因此直流电动机不适合在多尘潮湿、易燃易爆的环境中使用；此外，直流电动机结构复杂、成本高，对于目前大部分企业来说在，在考虑成本的情况下，优先选择，低成本高质量的产品，因此，目前直流电动机在新能源汽车上的应用处于劣势阶段，逐渐被淘汰。

2.3 直流电机的设计要点

对于励磁绕组式的电动机，转子冲片采用带有齿部的结构，并且对于槽型的设计需要增加槽口的宽度，利于铜绕组嵌入槽内。除此之外，在生产上来讲，转子上带有绕组，工艺性较为复杂，生产过程中的质量控制有一定的難度，因此，生产成本增加，导致直流电机价格较高。

3 交流感应电动机

交流感应电动机又称为交流异步电动机，其中以特斯拉Model S为代表。特斯拉Model S所搭载的三相感应电动机最大功率可达515KW（700Ps），转速范围为12000—20000r/min。

交流异步电机是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能向机械能的转换。交流感应电动机是目前使用量最大的一款电动机，不管是工业、农业、家电等都有使用交流感应电动机，这也是由交流感应电动机的特点决定的。下面就从交流感应电动机的结构，特点及设计生产等方面谈谈在新能源汽车上的应用。

3.1 交流感应电动机的结构

交流感应电动机按照转子结构分可分为笼型和绕线型异步电动机，安装绕组相数分可分为三相和单相异步电动机，目前在新能源汽车上应用的主要为三相异步电动机。

交流异步电动机的结构主要包括定子、转子、转子轴、前后端盖、轴承、位置传感器、低压线束和高压动力线束。定子主要由定子铁芯、定子绕组和机座组成，定子铁芯是通过硅钢片叠压而成，定子绕组是通过聚酯薄膜圆铜线或者圆铝线绕制而成，按照设计者的要求绕成相应的匝数，然后崁入定子铁芯的槽里。

转子主要由转子铁芯、转轴、转子绕组组成，对于绕线型的交流异步电动机，转子绕组由铜导线绕制而成，并崁入转子槽内；对于鼠笼型的交流异步电动机，其转子称为鼠笼式转子，主要通过转子铁芯在高温下铸铝成型，那么转子铁芯的槽内和两边都铸有铝，因此称为铝环。

3.2 交流感应电动机的特点

交流感应电动机是目前企业内日产量最高的一种电动机，也是应用最广泛的一种电动机，其具有独特的优势。交流感应电动机的优点是小型轻量化、易实现转速超过 10000r/min的高速旋转、高转速低转矩运行效率高、低速时有高转矩输出，以及具有较宽的速度调节范围，交流感应电机的输出转矩可以在大范围内调整，能在加速或爬坡时短时间内强制提高输出扭矩。

交流感应电动机的缺点由于电动机功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流建立磁场；交流感应电机控制系统复杂，易受电机参数及负载变化的影响；电动机转子不易散热，调速性能差，调速范围窄等。

3.3 交流感应电动机的设计要点

新能源汽车电机驱动系统涵盖的交流电机系统包括异步电机及对应的控制器，目前在新能源汽车上应用最多的交流电机是三相异步电动机，从三相异步电动机的设计上来看，其结构简单，工艺性好，售后故障低。

首先，在三相异步电动机的结构设计上，需要根据新能源汽车上的安装位置及安装空间而定，对转轴的设计尤其要考虑到电动机的安装尺寸，根据实际安装尺寸和安装方式选择相应的转子轴的直径和尺寸，此外电动机在新能源汽车上的安装也决定了三相异步电动机定转子冲片的选择和机壳的外径。

其次，在三相异步电动机的电磁设计上，需要考虑新能源汽车的主要输出转矩和功率，以及对转速的要求，根据其性能要求，不断地设计和优化电动机的电磁性能，找到合理的最优的设计方案，比如匝数、线径、铁芯厚度、铝环高度等关键参数。

最后，电动机的额外性能的设计也是必不可少的，主要体现到电动机和电动机控制器的配合，应用到新能源汽车上的电动机需达到无极调速，因此，可将电动机与控制器进行连接仿真模拟其主要性能，以判断电动机的真实工作状态。

经过几轮的优化和测试调整，最后找出最优方案，以满足新能源汽车上对于驱动电动机的性能要求。

4 永磁同步电动机

永磁同步电机是目前电动机产业发展中的一款主流产品。目前在新能源汽车上应用做多的是永磁同步电动机，其中以丰田Prius系列为代表。丰田公司在1997年便研发出世界上第一款成熟的混合动力汽车——Prius，迄今为止已发展到第4代，第4代Prius电机采用了分段线圈式定子，转子磁路结构也做了改变，电机的峰值为53KW，峰值转矩为163N.m，最高转速更是达到了17000r/min。

4.1 永磁同步电动机的结构

永磁同步电动机的结构在外形上和交流感应电动机类似，都是由旋转的转子和静止的定子组成。但是其内部结构差别较大。目前永磁同步电机定子大多采用集中绕组，生产过程自动化程度高，切集中绕组效率较高。因此，永磁同步电动机的定子冲片的设计槽型较大，槽口较小，以满足生产的要求。

目前，永磁同步电机可采用内置式和外置式两种控制板，带有内置传感器的永磁同步电机大多采用内置式的控制板，但是因控制板要求精密，多采用电子元器件组成，因此对静电要求较高，尤其是在生产过程中，车间、生产线、员工、地面等都采用防静电措施。

4.2 永磁同步电机的特点

永磁电动机中以永磁同步电动机为代表，是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。但是永磁同步电动在新能源汽车上的应用也有个其优缺点。

永磁同步电动机的优点：

1）结构简单、运行可靠。

2）控制电源频率就能控制电动机的转速。

3）较硬的机械特性，适合在负载转矩变化较大的工况下运行。

4）永磁同步电动机的转子为永久磁铁，无需励磁，因此电动机可以在很低的转速下保持同步 运行，调速范围宽。

5）不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高。

6）体积小质量轻。

7）结构多样化，应用范围广。

永磁同步电动机的缺点：

1）由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗。

2）永磁同步电动机的磁钢价格较高，体积小、质量轻、转动惯量小、功率密度高（可达1Kw/kg），转矩惯量比大、过载能力強，尤其低转速时输出转矩大，适合电动汽车的起动加速。

4.3 永磁同步电机的设计

对于永磁同步电机的设计主要针对电机的工作特点和设计指标而定，从永磁电机的定子、绕组、永磁体结构等方面检查分析，并采用Ansys Maxwell有限元分析软件建立电动机的三维有限元分析模型，对电动机的电磁性能进行模拟仿真其性能，以判断设计参数的合理性（图1）。最后根据电动机的设计参数制作出样机，并进行试验，以验证方案的合理性。

在永磁同步电机的设计过程中，主要考虑电机的电磁参数以及电机结构相关的参数，因为永磁同步电机的磁场是由永磁体激励产生，因此电机性能会随着材料、形状及加工工艺的变化而变化。

首先，在永磁同步电动机在转子的设计上采用内嵌磁钢块且磁极表面对称分布的方式，不仅使电动机的反电动势波形得到优化，而且有效的改善了电机直槽转矩大的弊端和负载力矩扰动的影响。其磁通方向的选择尤其重要，根据磁通方向有径向磁通和轴向磁通两种。磁通方向不同也决定了电动机的内部磁路的不同，对电动机的性能影响较大。具体到实践中，还要综合考虑电机的电感参数、漏磁系数以及永磁体的用量和材料等因素，不同转子磁路结构的设计使电机的性能参数不同，因此，设计时多采用内置式磁路结构，以提高电机的输出转矩。

其次，定子和转子冲片的设计也尤为重要，定子槽一般选择12槽或24槽结构，此外还要考虑定子冲片的槽型结构，考虑到生产实践中，一般选择平底槽。首先要满足定子绕组线圈的电流密度和热负荷，其次槽满率尽量控制在60%以下，要综合考虑其工艺的合理性，最后结合其机械强度和工艺限制选择合理的齿轭和齿宽（图2）。基于新能源汽车整体设计结构的现状，永磁同步电机在设计时必须明确计算出电机功率输出能力与主要尺寸之间的关系。

最后，对于永磁式的电动机来说，转子上带有永磁体，在转子冲片的设计过程中分为表贴式和嵌入式。考虑到实践中，新能源汽车需要低速高转矩的性能，永磁同步电机采用嵌入式的转子，在转子冲片的设计方面，需要在转子冲片内部开槽，并采用0.3-1.5mm厚的硅钢片叠压而成；此外，对永磁体的尺寸设计尤其重要，主要包括磁化方向、径向长度、轴向长度、剩磁等。在中国永磁同步电机的研究也得益于丰富的稀土材料，天然的稀土材料给永磁同步电机的发展带来得天独厚的优势，因此，我國的电动汽车多采用永磁同步电动机。

5 结语

综上所述，新能源汽车驱动电机系统的运用广泛，所涉及电机类型较多，从电动机的结构、特点和设计方面进行分析，目前，永磁同步电动机广泛应用于新能源汽车上，而未来随着开关磁阻电机技术的不断进步和创新，将可能成为新能源汽车上的主要驱动电机。随着政府的大力支持，新能源汽车技术不断进步，未来新能源汽车驱动系统也将朝着永磁化、数字化和集成化的方向发展。

基金项目：一种无刷直流电机的研究与应用；项目编号：KJ2020A1187。

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