电动汽车驱动用电机的选择

1、电动汽车驱动用电机的选择郭建龙，陈世元（华南理工大学电力学院，广东广州）摘要：本文在提出电动汽车对驱动电机的性能指标要求的基础上，通过比较几种不同的汽车驱动用电机，最后论证提出一种适合于电动汽车驱动用的性能优越的电动机外转子双凸极永磁电动机（），并针对该电机提出了一些设计方面的特点。关键词：电动汽车；驱动电机；外转子双凸极永磁电动机；性能指标中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，（）：；（）；电动汽车的基本结构系统是由电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统三者构成。而电力驱动子系统中的驱动电机对整个系统来说作用是至关重要的，不同类型的电动机将直接导致电动汽车不同的行驶性能。图是

2、一个一般性的电动汽车电力驱动子系统的示意图。如下性能指标：最大行驶里程（）电动汽车每次充满电后的最大行驶里程；加速能力（）一一电动汽车从静止加速到一定的时速（、）所需的最小时间；最高时速（）电动汽车所能达到的最高时速。为了高性能地驱动电动汽车，满足电动汽车的性能指标，就必须对所选用的驱动电机有所要求：电动汽车驱动电机通常要求能够频繁地起动停车、加速减速，转矩控制的动态性能要求高；为了取消笨重而低效的多级变速器，在低速或爬坡时，要求的转矩高，而高速行驶时，转矩低；驱动电机通常要能够承受高达倍的过载；驱动电机要求调速范围大，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时在整个调速范围内还得保持较高的

3、运行效率；电动汽车驱动电机的工作环境比工业驱动恶劣，在结构、环境适应度、可靠性方面要有所考虑；在经济成本、体积尺寸方面也要考虑。此外，驱动电机的特性还取决于驾驶员对电动汽车的驾驶性能要求、车辆的性能约束以及车载能源系统的性能。原则上讲，使驱动电机的转矩特性与电动汽车的运行特性相匹配，就可以达到理想的电动汽车驱动性能。综上所述，选择一台电动汽车驱动用电机，主要应考虑驱动电机的如下一些参数：电机的转矩转速特性、效率、电动机的调速和控制特性、成本、功率密度、结构强度、对工作环境的适应度及，图可以看出，驱动电机技术是整个电动汽车核心枢纽技术之一，是动力源，又是决定汽车运行各项性能指标的主体与内在根据，

4、因此，它的选择与确定是非常重要的。电动汽车对驱动电机性能指标的要求通常人们在评价电动汽车的性能时，主要考虑图电动汽车电力驱动子系统维护等。修改稿收稿日期：作者简介：郭建龙，男，山西兴县人，现为华南理工大学电力学院硕士研究生，目前正从事特种电机及其控制的研究；陈世元，男，辽宁辽阳人，教授，主要从事特种电机及其控制、电机的交流绕组理论、电磁场、热交换和等方面的研究。用于电动汽车的各种驱动电机的比较环等零件，结构更加简单，性能更加可靠。与相同目前，电动汽车驱动用的电动机通常有直流电功率的其他类型的电动机相比，永磁电动机的体积动机、交流三相感应电动机、永磁电动机和开关磁更小，质量更轻，更加适合作为电动

5、汽车的驱动电阻电动机。动机。直流电动机基于永磁电动机高功率密度、高效率等一系列几乎所有的早期电动汽车都采用直流电动机驱优点，目前已成为电动汽车驱动电机的主要选择之动系统。在可控硅整流器件出现前，电动汽车的速一。但是它也存在一些问题，电机结构、制造艺度控制是通过机械式开关改变蓄电池串联个数，以相对来讲较为复杂，驱动控制系统复杂，造价高。达到改变电机电枢电压来实现的。这种调速方法是而且永磁电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，有级调速，且效率低，可靠性较差。在可控硅整流使得永磁电动机的功率范围较小，最大功率仅为几器件出现后，驱动电机的控制可以采用调制的十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作直流

6、斩波控制，但是直流电机效率低下，其换向器用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将和电刷需要经常性的周期维护，运行成本高，运用严重降低永磁电动机的性能，甚至损坏电动机。同场合有很大的局限性，可靠性差。再加上该种电机样永磁交流同步电动机在恒功率模式下，操纵较复成本高、体积大、质量大，所以随着高性能的交流杂，需要一套复杂的控制系统，从而使永磁电动机调速系统的出现，直流电机驱动已基本上被淘汰。驱动系统造价非常高。从经济角度和可行性看，又交流三相感应电动机严重阻碍其用于电动汽车驱动电机。交流三相感应电动机是一种运用广泛的电动开关磁阻电动机机，在转子和定子之间没有相互接触的部件，结构开关磁阻电动机是一

7、种新型电动机，首先它的简单，运行可靠，经久耐用。交流三相感应电动机结构简单而坚固，结构上的简单是其它任何电机所的功率容量覆盖面很宽广，转速可达到不能比的；在电动机的转子上没有滑环、绕组和永，冷却自由度高，对环境的适应性好。与同磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量轻一端部较短，没有相间跨接线，能够在恶劣环境下工半左右。交流三相感应电动机已经能够大批量生作，几乎不需要维护；功率范围很宽广，转速可达产，有各种不同型号和规格的产品供用户选用。；转子惯量小，系统动态响应快；电格便宜，维修简单方便。但是交流三相感应电动机机转矩与电流方向无关，功率开关器件数量

8、可以减的耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时需保少；起动转矩高而无起动冲击电流；理想的四象限证对交流三相感应电动机的冷却。交流三相感应电运行特性非常适合于电动汽车驱动；转矩转速特动机的功率因素较低，使得变频变压装置的输入功性与电动汽车的运行特性相吻合；发热集中在定子率因素也较低，因此需要采用大容量的变频变压装上，散热能力强；效率可达，比交流三相置。另外就电机调速性能而言交流机较差，虽然说感应电动机要高，而且在很宽广的范围内保持高效随着大功率开关器件的出现以及电力电子技术、现率；电机控制方面也灵活简单，功率密度与异步电代控制技术的成熟，交流驱动系统发展迅猛，但是机相类似，电机制造成本也很低。由

9、于感应电动机的直轴和交轴的磁耦合作用，使得目前，影响开关磁阻电动机广泛应用的主要障其控制系统异常复杂，交流三相感应电动机控制系碍，是它的转矩脉动和噪声、振动问题，这是由于统的造价远远高于交流三相感应电动机本身，增加双凸极工作机理引起的，所以说开关磁阻电机本身了电动汽车的成本。无法克服，只能减小。永磁电动机外转子双凸极永磁电动机电动汽车用永磁电动机主要有两大类：永磁无它是在传统双凸极永磁电动机基础上作了改进刷直流电动机和永磁交流同步电动机。随着高性能得来的。把双凸极永磁电动机作为电动汽车驱动用稀土合金永磁材料的出现，有效地提高了永磁电动的电机，现在看来还是一种较为新的提法，它突破机功率密度，磁场

10、衰退特性也优于其他电动机。永了电动汽车驱动用电机传统的四大类，但是这个提磁磁铁的磁极具有很高的强度，提高了电动机在高出是有它的道理的。从上面的分析可以看出，永磁速转动时的可靠性。由于永磁电动机的磁通量小，电动机性能优越，但是它驱动控制系统的成本、复在低负荷时铁耗很小，因此永磁电动机具有高的功杂度影响了它的应用，而开关磁阻电动机虽有控制率质量比，比其他类型的电动机有更高的效率，性能好、控制简单、成本低等诸多优点，但它也有更大的输出转矩，电动机的极限转速和制动性能等缺点。如果能够把永磁电动机与开关磁阻电动机的优于其他类型的电动机。永磁电动机没有电刷或滑优点结合起来，通过在开关磁阻电动机基础上引入汽

11、车电器）年第期投资热点建电解液、补充液厂详见插广告永磁材料，并且在结构、电磁设计等诸多方面改进，就得到这种新型的外转予双凸极永磁电动机，它吸收了永磁电动机和开关磁阻电动机的优点，同时又消除或减小了诸如驱动控制复杂、成本高、利用率低、脉动噪声等缺点，同时其独特的外转子结构可以实现轮毂直接驱动，显著提高了驱动效率与汽车整体的性价比，是一种综合性能非常优越、最适合电动汽车驱动用的电机。综合上述，表给出了电动汽车驱动用的各种图位置相加载图位置永磁磁电机的性能比较。两场共同作用场图场单独作用场图表电动汽车驱动用的各种电机的性能较有关。位置只有永久磁铁作用时，块磁铁和块磁铁分别作用对应的电机气隙中心线处的

12、曰图见图、图。沿电机截面气隙中心线的弧长。图。位置块永磁铁单独作用时口图双凸极永磁电动机性能特点双凸极永磁电动机主要尺寸满足如下关系式巧：。二三一一（）。叼。输出功率；定子线负荷；广气隙式中：仇定子内径；叠片长度；磁密；厂额定转速；效率；定子极数；。一转子极数；，；，由电机结构参数决定的系数。 对一个三相极外转子双凸极永磁电动机所做的有限元分析表明，电机磁场主要是永磁磁场，如图、图所示。所以公式（）中气隙磁密幅值与永磁铁磁沿电机截面气隙中心线的弧长。积能和剩磁的大小成正比，同时与励磁永磁铁数目图。位置块永磁铁单独作用时引习投资元可建年产千吨电解液厂详见插广告汽车电器年第期从图、图中分析结果得出

13、，块磁铁作用时对应气隙磁密最大值为（特斯拉），块磁铁作用时对应气隙磁密最大值为。所以对于外转子双凸极永磁电动机而言，从上述公式和有限元分析可见，由于电机是由高性能的永磁材料励磁，对于相同的给定输出功率，它的体积和质量能够大大地减小，使得在几种电机中它的功率密度是最高的，特别适合于对驱动电机尺寸有限制的电动汽车轮毂驱动方式。双凸极永磁电动机还具有以下特点。由大量文献可知，开关磁阻电动机的效率在，而开关磁阻电动机的损耗有是由定子绕组铜耗所带来的哺。双凸极永磁电动机使用永磁励磁，电枢绕组匝数显著减少，所以它比开关磁阻电动机效率高，实现了高效率。通过有限元分析可知，由于是永磁励磁，所以相同功率情况下该

14、电机定子绕组电流较小，且高磁阻的永磁铁的存在使得绕组磁通路径发生变化，绕组电感和电感变化率减小，使得电机能够在较小电感处换向，具有高转矩电流比、高转矩惯量比，易于换向等优点。继承了开关磁阻电动机（）结构简单，坚固，维护方便，转速范围宽广，在宽广的功率范围保持了高效率，控制特性优良简单且成本低的特点。本文在综合大量文献的基础上，针对定转子凸极齿槽所具有的转矩脉动、振动、噪声可以考虑在如下方面做改进：定转子极弧设计上使转子极弧略大于定子极弧并保持精确的数量关系，使得在任何瞬间所叠加的脉动性质的磁阻转矩有所抑制；永磁材料在尺寸、性能、数量等方面适当选择，可以有效地抑制噪声、振动，并且利于换向；通过转

15、子斜槽来进一步抑制噪声；在定转子极数相数选取上综合考虑各种因素前提下尽可能地抑制转矩脉动。采用外转子结构，将驱动电机直接安装在车轮轮毂内，取消了原来汽车的变速器、传动轴、后桥等部件，使得电动汽车体积质量减小，结构更加紧凑。而且采用电动机电气线控代替原来机械接触式控制，提高了传输效率，降低了成本。采用双电机后轮驱动的方式下进一步采用电子差速器代替传统的离合器与变速器，使得电动汽车体积小、质量轻，又可以实行精确的电子控制，提高了电动汽车的性能。利用电机易于四象限运行的优点，有效地实现制动能量的回馈利用，提高电动汽车的整体性能与性价比。综合以上分析可知，外转子双凸极永磁电动机性能优越，是一种非常好的

16、电动汽车驱动用电动机。结语本文的重点是电动汽车驱动用电动机的比较。通过比较，所提出的双凸极永磁电动机是当前继双凸极变磁阻电机（如开关磁阻电动机）基础上又一新型特种永磁电机，也是当前研究的热点。对于该电机，在实际应用发展中还存在很大空白，目前主要集中在理论研究发展阶段。本文是在双凸极永磁电动机基础上为适应电动汽车直接轮式驱动而引入了该电机外转子双凸极永磁电动机。对于该电机的特点可以给出理论分析和理论上的求证。实际应用和实证还有待进一步发展。参考文献：陈清泉，詹宜巨世纪的绿色交通工具电动车清华大学出版社，梅小安，张乃平世界电动汽车技术发展状况及趋势武汉理工大学学报，（）：宋慧，胡骅电动汽车的现状及

17、发展汽车电器，（）：，林明耀，程明双凸极永磁电机的设计、控制和运行（）微特电机，（）：吴建华开关磁阻电机设计与应用北京：机械工业出版社，（责任编辑文珍）汽车电器年第期投资小、成本低、利润高的致富项目详见插广告 电动汽车驱动用电机的选择作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：郭建龙， 陈世元， GUO Jian-long， CHEN Shi-yuan华南理工大学电力学院,广东,广州,510640汽车电器AUTO ELECTRIC PARTS2007(17次参考文献(6条1. 吴建华 开关磁阻电机设计与应用 20002. 林明耀;程明 双凸极永磁电机的设计、控制和运行(期刊论文-微特电机 2003(023. Gillespie T D Fundamentals of vehicle dynamics 19994. 宋慧;胡骅 电动汽车的现状及发展 2000(015. 梅小安;张乃平 世界电动汽车技术发展状况及趋势期刊论文-武汉理工大学学报 2004(026. 陈清泉;詹宜巨 21世纪的绿色交通工具-电动车 2000引证文献(7条1. 肖平. 冯能莲 混合动力摩托车用无刷直流电机驱动系统研究期刊论文-机电工程 2010(42. 袁仪. 陈世元. 熊春雷.