電動汽車驅(qū)動用電機的選擇

1、電動汽車驅(qū)動用電機的選擇郭建龍，陳世元（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州）摘要：本文在提出電動汽車對驅(qū)動電機的性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，通過比較幾種不同的汽車驅(qū)動用電機，最后論證提出一種適合于電動汽車驅(qū)動用的性能優(yōu)越的電動機外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電動機（），并針對該電機提出了一些設(shè)計方面的特點。關(guān)鍵詞：電動汽車；驅(qū)動電機；外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電動機；性能指標(biāo)中圖分類號：文獻標(biāo)識碼：文章編號：（）（，）：，（）：；（）；電動汽車的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是由電力驅(qū)動子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)三者構(gòu)成。而電力驅(qū)動子系統(tǒng)中的驅(qū)動電機對整個系統(tǒng)來說作用是至關(guān)重要的，不同類型的電動機將直接導(dǎo)致電動汽車不同的行駛性能。圖是

2、一個一般性的電動汽車電力驅(qū)動子系統(tǒng)的示意圖。如下性能指標(biāo)：最大行駛里程（）電動汽車每次充滿電后的最大行駛里程；加速能力（）一一電動汽車從靜止加速到一定的時速（、）所需的最小時間；最高時速（）電動汽車所能達(dá)到的最高時速。為了高性能地驅(qū)動電動汽車，滿足電動汽車的性能指標(biāo)，就必須對所選用的驅(qū)動電機有所要求：電動汽車驅(qū)動電機通常要求能夠頻繁地起動停車、加速減速，轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能要求高；為了取消笨重而低效的多級變速器，在低速或爬坡時，要求的轉(zhuǎn)矩高，而高速行駛時，轉(zhuǎn)矩低；驅(qū)動電機通常要能夠承受高達(dá)倍的過載；驅(qū)動電機要求調(diào)速范圍大，既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又要運行在恒功率區(qū)，同時在整個調(diào)速范圍內(nèi)還得保持較高的

3、運行效率；電動汽車驅(qū)動電機的工作環(huán)境比工業(yè)驅(qū)動惡劣，在結(jié)構(gòu)、環(huán)境適應(yīng)度、可靠性方面要有所考慮；在經(jīng)濟成本、體積尺寸方面也要考慮。此外，驅(qū)動電機的特性還取決于駕駛員對電動汽車的駕駛性能要求、車輛的性能約束以及車載能源系統(tǒng)的性能。原則上講，使驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩特性與電動汽車的運行特性相匹配，就可以達(dá)到理想的電動汽車驅(qū)動性能。綜上所述，選擇一臺電動汽車驅(qū)動用電機，主要應(yīng)考慮驅(qū)動電機的如下一些參數(shù)：電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性、效率、電動機的調(diào)速和控制特性、成本、功率密度、結(jié)構(gòu)強度、對工作環(huán)境的適應(yīng)度及，圖可以看出，驅(qū)動電機技術(shù)是整個電動汽車核心樞紐技術(shù)之一，是動力源，又是決定汽車運行各項性能指標(biāo)的主體與內(nèi)在根據(jù)，

4、因此，它的選擇與確定是非常重要的。電動汽車對驅(qū)動電機性能指標(biāo)的要求通常人們在評價電動汽車的性能時，主要考慮圖電動汽車電力驅(qū)動子系統(tǒng)維護等。修改稿收稿日期：作者簡介：郭建龍，男，山西興縣人，現(xiàn)為華南理工大學(xué)電力學(xué)院碩士研究生，目前正從事特種電機及其控制的研究；陳世元，男，遼寧遼陽人，教授，主要從事特種電機及其控制、電機的交流繞組理論、電磁場、熱交換和等方面的研究。用于電動汽車的各種驅(qū)動電機的比較環(huán)等零件，結(jié)構(gòu)更加簡單，性能更加可靠。與相同目前，電動汽車驅(qū)動用的電動機通常有直流電功率的其他類型的電動機相比，永磁電動機的體積動機、交流三相感應(yīng)電動機、永磁電動機和開關(guān)磁更小，質(zhì)量更輕，更加適合作為電動

5、汽車的驅(qū)動電阻電動機。動機。直流電動機基于永磁電動機高功率密度、高效率等一系列幾乎所有的早期電動汽車都采用直流電動機驅(qū)優(yōu)點，目前已成為電動汽車驅(qū)動電機的主要選擇之動系統(tǒng)。在可控硅整流器件出現(xiàn)前，電動汽車的速一。但是它也存在一些問題，電機結(jié)構(gòu)、制造藝度控制是通過機械式開關(guān)改變蓄電池串聯(lián)個數(shù)，以相對來講較為復(fù)雜，驅(qū)動控制系統(tǒng)復(fù)雜，造價高。達(dá)到改變電機電樞電壓來實現(xiàn)的。這種調(diào)速方法是而且永磁電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，有級調(diào)速，且效率低，可靠性較差。在可控硅整流使得永磁電動機的功率范圍較小，最大功率僅為幾器件出現(xiàn)后，驅(qū)動電機的控制可以采用調(diào)制的十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作直流

6、斬波控制，但是直流電機效率低下，其換向器用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將和電刷需要經(jīng)常性的周期維護，運行成本高，運用嚴(yán)重降低永磁電動機的性能，甚至損壞電動機。同場合有很大的局限性，可靠性差。再加上該種電機樣永磁交流同步電動機在恒功率模式下，操縱較復(fù)成本高、體積大、質(zhì)量大，所以隨著高性能的交流雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使永磁電動機調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，直流電機驅(qū)動已基本上被淘汰。驅(qū)動系統(tǒng)造價非常高。從經(jīng)濟角度和可行性看，又交流三相感應(yīng)電動機嚴(yán)重阻礙其用于電動汽車驅(qū)動電機。交流三相感應(yīng)電動機是一種運用廣泛的電動開關(guān)磁阻電動機機，在轉(zhuǎn)子和定子之間沒有相互接觸的部件，結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電動機是一

7、種新型電動機，首先它的簡單，運行可靠，經(jīng)久耐用。交流三相感應(yīng)電動機結(jié)構(gòu)簡單而堅固，結(jié)構(gòu)上的簡單是其它任何電機所的功率容量覆蓋面很寬廣，轉(zhuǎn)速可達(dá)到不能比的；在電動機的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、繞組和永，冷卻自由度高，對環(huán)境的適應(yīng)性好。與同磁體等，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的樣功率的直流電動機相比較，效率較高，質(zhì)量輕一端部較短，沒有相間跨接線，能夠在惡劣環(huán)境下工半左右。交流三相感應(yīng)電動機已經(jīng)能夠大批量生作，幾乎不需要維護；功率范圍很寬廣，轉(zhuǎn)速可達(dá)產(chǎn)，有各種不同型號和規(guī)格的產(chǎn)品供用戶選用。；轉(zhuǎn)子慣量小，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快；電格便宜，維修簡單方便。但是交流三相感應(yīng)電動機機轉(zhuǎn)矩與電流方向無關(guān)，功率開關(guān)器件數(shù)量

8、可以減的耗電量較大，轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，在高速運轉(zhuǎn)時需保少；起動轉(zhuǎn)矩高而無起動沖擊電流；理想的四象限證對交流三相感應(yīng)電動機的冷卻。交流三相感應(yīng)電運行特性非常適合于電動汽車驅(qū)動；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特動機的功率因素較低，使得變頻變壓裝置的輸入功性與電動汽車的運行特性相吻合；發(fā)熱集中在定子率因素也較低，因此需要采用大容量的變頻變壓裝上，散熱能力強；效率可達(dá)，比交流三相置。另外就電機調(diào)速性能而言交流機較差，雖然說感應(yīng)電動機要高，而且在很寬廣的范圍內(nèi)保持高效隨著大功率開關(guān)器件的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)、現(xiàn)率；電機控制方面也靈活簡單，功率密度與異步電代控制技術(shù)的成熟，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅猛，但是機相類似，電機制造成本也很低。由

9、于感應(yīng)電動機的直軸和交軸的磁耦合作用，使得目前，影響開關(guān)磁阻電動機廣泛應(yīng)用的主要障其控制系統(tǒng)異常復(fù)雜，交流三相感應(yīng)電動機控制系礙，是它的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲、振動問題，這是由于統(tǒng)的造價遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流三相感應(yīng)電動機本身，增加雙凸極工作機理引起的，所以說開關(guān)磁阻電機本身了電動汽車的成本。無法克服，只能減小。永磁電動機外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電動機電動汽車用永磁電動機主要有兩大類：永磁無它是在傳統(tǒng)雙凸極永磁電動機基礎(chǔ)上作了改進刷直流電動機和永磁交流同步電動機。隨著高性能得來的。把雙凸極永磁電動機作為電動汽車驅(qū)動用稀土合金永磁材料的出現(xiàn)，有效地提高了永磁電動的電機，現(xiàn)在看來還是一種較為新的提法，它突破機功率密度，磁場

10、衰退特性也優(yōu)于其他電動機。永了電動汽車驅(qū)動用電機傳統(tǒng)的四大類，但是這個提磁磁鐵的磁極具有很高的強度，提高了電動機在高出是有它的道理的。從上面的分析可以看出，永磁速轉(zhuǎn)動時的可靠性。由于永磁電動機的磁通量小，電動機性能優(yōu)越，但是它驅(qū)動控制系統(tǒng)的成本、復(fù)在低負(fù)荷時鐵耗很小，因此永磁電動機具有高的功雜度影響了它的應(yīng)用，而開關(guān)磁阻電動機雖有控制率質(zhì)量比，比其他類型的電動機有更高的效率，性能好、控制簡單、成本低等諸多優(yōu)點，但它也有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，電動機的極限轉(zhuǎn)速和制動性能等缺點。如果能夠把永磁電動機與開關(guān)磁阻電動機的優(yōu)于其他類型的電動機。永磁電動機沒有電刷或滑優(yōu)點結(jié)合起來，通過在開關(guān)磁阻電動機基礎(chǔ)上引入汽

11、車電器）年第期投資熱點建電解液、補充液廠詳見插廣告永磁材料，并且在結(jié)構(gòu)、電磁設(shè)計等諸多方面改進，就得到這種新型的外轉(zhuǎn)予雙凸極永磁電動機，它吸收了永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機的優(yōu)點，同時又消除或減小了諸如驅(qū)動控制復(fù)雜、成本高、利用率低、脈動噪聲等缺點，同時其獨特的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)輪轂直接驅(qū)動，顯著提高了驅(qū)動效率與汽車整體的性價比，是一種綜合性能非常優(yōu)越、最適合電動汽車驅(qū)動用的電機。綜合上述，表給出了電動汽車驅(qū)動用的各種圖位置相加載圖位置永磁磁電機的性能比較。兩場共同作用場圖場單獨作用場圖表電動汽車驅(qū)動用的各種電機的性能較有關(guān)。位置只有永久磁鐵作用時，塊磁鐵和塊磁鐵分別作用對應(yīng)的電機氣隙中心線處的

12、曰圖見圖、圖。沿電機截面氣隙中心線的弧長。圖。位置塊永磁鐵單獨作用時口圖雙凸極永磁電動機性能特點雙凸極永磁電動機主要尺寸滿足如下關(guān)系式巧：。二三一一（）。叼。輸出功率；定子線負(fù)荷；廣氣隙式中：仇定子內(nèi)徑；疊片長度；磁密；廠額定轉(zhuǎn)速；效率；定子極數(shù)；。一轉(zhuǎn)子極數(shù)；，；，由電機結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的系數(shù)。 對一個三相極外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電動機所做的有限元分析表明，電機磁場主要是永磁磁場，如圖、圖所示。所以公式（）中氣隙磁密幅值與永磁鐵磁沿電機截面氣隙中心線的弧長。積能和剩磁的大小成正比，同時與勵磁永磁鐵數(shù)目圖。位置塊永磁鐵單獨作用時引習(xí)投資元可建年產(chǎn)千噸電解液廠詳見插廣告汽車電器年第期從圖、圖中分析結(jié)果得出

13、，塊磁鐵作用時對應(yīng)氣隙磁密最大值為（特斯拉），塊磁鐵作用時對應(yīng)氣隙磁密最大值為。所以對于外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電動機而言，從上述公式和有限元分析可見，由于電機是由高性能的永磁材料勵磁，對于相同的給定輸出功率，它的體積和質(zhì)量能夠大大地減小，使得在幾種電機中它的功率密度是最高的，特別適合于對驅(qū)動電機尺寸有限制的電動汽車輪轂驅(qū)動方式。雙凸極永磁電動機還具有以下特點。由大量文獻可知，開關(guān)磁阻電動機的效率在，而開關(guān)磁阻電動機的損耗有是由定子繞組銅耗所帶來的哺。雙凸極永磁電動機使用永磁勵磁，電樞繞組匝數(shù)顯著減少，所以它比開關(guān)磁阻電動機效率高，實現(xiàn)了高效率。通過有限元分析可知，由于是永磁勵磁，所以相同功率情況下該

14、電機定子繞組電流較小，且高磁阻的永磁鐵的存在使得繞組磁通路徑發(fā)生變化，繞組電感和電感變化率減小，使得電機能夠在較小電感處換向，具有高轉(zhuǎn)矩電流比、高轉(zhuǎn)矩慣量比，易于換向等優(yōu)點。繼承了開關(guān)磁阻電動機（）結(jié)構(gòu)簡單，堅固，維護方便，轉(zhuǎn)速范圍寬廣，在寬廣的功率范圍保持了高效率，控制特性優(yōu)良簡單且成本低的特點。本文在綜合大量文獻的基礎(chǔ)上，針對定轉(zhuǎn)子凸極齒槽所具有的轉(zhuǎn)矩脈動、振動、噪聲可以考慮在如下方面做改進：定轉(zhuǎn)子極弧設(shè)計上使轉(zhuǎn)子極弧略大于定子極弧并保持精確的數(shù)量關(guān)系，使得在任何瞬間所疊加的脈動性質(zhì)的磁阻轉(zhuǎn)矩有所抑制；永磁材料在尺寸、性能、數(shù)量等方面適當(dāng)選擇，可以有效地抑制噪聲、振動，并且利于換向；通過轉(zhuǎn)

15、子斜槽來進一步抑制噪聲；在定轉(zhuǎn)子極數(shù)相數(shù)選取上綜合考慮各種因素前提下盡可能地抑制轉(zhuǎn)矩脈動。采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動電機直接安裝在車輪輪轂內(nèi)，取消了原來汽車的變速器、傳動軸、后橋等部件，使得電動汽車體積質(zhì)量減小，結(jié)構(gòu)更加緊湊。而且采用電動機電氣線控代替原來機械接觸式控制，提高了傳輸效率，降低了成本。采用雙電機后輪驅(qū)動的方式下進一步采用電子差速器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的離合器與變速器，使得電動汽車體積小、質(zhì)量輕，又可以實行精確的電子控制，提高了電動汽車的性能。利用電機易于四象限運行的優(yōu)點，有效地實現(xiàn)制動能量的回饋利用，提高電動汽車的整體性能與性價比。綜合以上分析可知，外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電動機性能優(yōu)越，是一種非常好的

16、電動汽車驅(qū)動用電動機。結(jié)語本文的重點是電動汽車驅(qū)動用電動機的比較。通過比較，所提出的雙凸極永磁電動機是當(dāng)前繼雙凸極變磁阻電機（如開關(guān)磁阻電動機）基礎(chǔ)上又一新型特種永磁電機，也是當(dāng)前研究的熱點。對于該電機，在實際應(yīng)用發(fā)展中還存在很大空白，目前主要集中在理論研究發(fā)展階段。本文是在雙凸極永磁電動機基礎(chǔ)上為適應(yīng)電動汽車直接輪式驅(qū)動而引入了該電機外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電動機。對于該電機的特點可以給出理論分析和理論上的求證。實際應(yīng)用和實證還有待進一步發(fā)展。參考文獻：陳清泉，詹宜巨世紀(jì)的綠色交通工具電動車清華大學(xué)出版社，梅小安，張乃平世界電動汽車技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及趨勢武漢理工大學(xué)學(xué)報，（）：宋慧，胡驊電動汽車的現(xiàn)狀及

17、發(fā)展汽車電器，（）：，林明耀，程明雙凸極永磁電機的設(shè)計、控制和運行（）微特電機，（）：吳建華開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用北京：機械工業(yè)出版社，（責(zé)任編輯文珍）汽車電器年第期投資小、成本低、利潤高的致富項目詳見插廣告 電動汽車驅(qū)動用電機的選擇作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次數(shù)：郭建龍， 陳世元， GUO Jian-long， CHEN Shi-yuan華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東,廣州,510640汽車電器AUTO ELECTRIC PARTS2007(17次參考文獻(6條1. 吳建華 開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用 20002. 林明耀;程明 雙凸極永磁電機的設(shè)計、控制和運行(期刊論文-微特電機 2003(023. Gillespie T D Fundamentals of vehicle dynamics 19994. 宋慧;胡驊 電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展 2000(015. 梅小安;張乃平 世界電動汽車技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及趨勢期刊論文-武漢理工大學(xué)學(xué)報 2004(026. 陳清泉;詹宜巨 21世紀(jì)的綠色交通工具-電動車 2000引證文獻(7條1. 肖平. 馮能蓮 混合動力摩托車用無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)研究期刊論文-機電工程 2010(42. 袁儀. 陳世元. 熊春雷.