驱动电机基础知识
以纯电动汽车为背景介绍驱动电机的使用场景以及基本的性能要求。
纯电动汽车驱动系统
电机驱动系统是纯电动轿车中的关键系统，纯电动轿车的运行性能主要取决于电机驱动系统的类型和性能。纯电动轿车的驱动系统一般由整车控制器、电机、逆变器、DC- DC、减速器以及驱动轮构成。典型的纯电动汽车驱动系统，如图 1 所示。
图1 典型纯电动汽车驱动系统
蓄电池12V：整车高压上电前（或DC-DC未工作时）用于给整车低压系统供电，如：灯光系统、多媒体系统、各种控制器控制电源等。
DC-DC：将动力电池中高压直流电转换为蓄电池中的低压直流电，用于高压上电后给整车低压用电系统供电。
动力电池：为驱动系统提供能量的蓄电池，整车的能量来源。
逆变器：又称电机控制器（MCU），将直流电转化为交流电，控制器电机驱动力矩、旋转方向、转速，是驱动系统的一部分。
电机（MC）：纯电动汽车的能量转化装置，将电能转化机械能驱动汽车运动，或者将机械能转化为电能储存到动力电池中。
减速器：传动装置用于降低转速增大转矩，一般会包含一个 差速器。
整车控制器（VCU）：整车的大脑，控制整车的运行。整车控制器功能介绍。
电机系统作为纯电动汽车的唯一动力源，承担着电动汽车加速、减速、爬坡、高速匀速行驶等复杂工况的动力需求。同时汽车的工作环境恶劣，可靠性要求极高。
纯电动汽车驱动系统要求：
- 低速输出大转矩，以适应车辆的起动、加速、负荷爬坡以及频繁起或停等工况，即: 低速时恒转矩运行；
- 高速输出恒定功率，有较大的调速范围，以适应最高车速和超车等要求，即: 高速时恒功率运行；
- 减速时，电机实现再生制动，将能量回收并反馈回电池，使得整车具有最佳的能量利用率；
- 电动机可靠性好，能在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量的生产，运行时噪声低，使用维修方便，成本低，体积小；
- 结构坚固、质量轻、良好的环境适应性和高可靠性。
参考《纯电动轿车驱动电机的选型分析》——金灵 宋亮 耿冲 王琳琳
驱动电机分类
图2 电动汽车驱动电机分类
项目 | 直流电机 | 交流电机 | 永磁同步电机 | 开关磁阻电机
----|------|----|-----
比功率|低|中|高|较高
峰值效率（%）|8589|9495|9597|8590
负荷效率（%）|8891|7985|9092|7886
转速范围（rpm）|40008000|900015000|4000~10000|>15000
可靠性|差|好|中|好
功率密度|低|中|最高|中
过载能力（%）|200|300500|300|300500
成本（￥/kw）|高|低|高|低于感应电机
控制操作性能|最好|好|好|好
控制器成本|低|高|高|一般
输出功率相对成本（元/kw）|1.0|0.81.2|11.5|0.6~1.0
近十年来,电动车电机驱动系统主要是开发系列化的交流异步电动机驱动系统、永磁无刷电动机驱动系统和开关磁阻电动机驱动系统。与原来的直流有刷电机驱动系统相比,以上驱动系统具有明显优势,其突出优点是体积小,质量轻,调速范围广,可靠性高。上表给出了各种电机驱动系统的性能比较。目前,美国的汽车公司大多采用高速、高效的交流异步电动机驱动系统,日本的汽车公司基本上采用永磁同步电动机驱动系统。
异步电动机驱动系统
异步电动机其特点是结构简单,坚固耐用,成本低廉,运行可靠,低转矩脉动,低噪声,不需要位置传感器,转速极限高。
异步电动机矢量控制调速技术比较成熟,使得异步电动机驱动系统具有明显的优势,因此被较早应用于电动车的驱动系统,目前仍然是电动车驱动系统的主流产品(尤其在美国),但己被其他新型无刷永磁牵引电动机驱动系统逐步取代。
最大缺点是驱动电路复杂,成本高;相对永磁电动机而言,异步电动机效率和功率密度偏低。
永磁无刷电动机驱动系统
永磁无刷电动机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围,发展前景十分广阔,在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者,已在国内外多种电动车辆中获得应用。
内置式永磁同步电动机也称为混合式永磁磁阻电动机。该电机在永磁转矩的基础上叠加了磁阻转矩,磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度,而且易于弱磁调速,扩大恒功率范围运行。内置式永磁同步电动机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入,该电机结构灵活,设计自由度大,有望得到高性能,适合用作电动车高效、高密度、宽调速牵引驱动。这些引起了各大汽车公司同行们的关注,特别是获得了日本汽车公司同行的青睐。当前,美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电动机。
表面凸出式永磁无刷直流电机也称为永磁转矩电动机,相对内置式永磁同步电动机而言,其弱磁调速范围小,功率密度低。该结构电机动态响应快,并可望得到低转矩脉动,适合用作汽车的电子伺服驱动,如汽车电子动力方向盘的伺服电机。
无位置传感器永磁同步电动机驱动系统也是当前永磁同步电动机驱动系统研究的一个热点,将成为永磁同步电动机驱动系统的发展趋势之一,具有潜在的竞争优势。
永磁同步电动机驱动系统低速时常采用矢量控制,高速时用弱磁控制。
新一代牵引电机驱动系统
从20世纪os年代开关磁阻电动机驱动系统问世后,打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式;并随着磁阻电机,永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展,交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代;新的电机拓朴结构与控制方式层出不穷,推动了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。
SRD开关磁阻电动机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固,适合于高速运行,并且驱动电路简单、成本低、性能可靠,在宽广的转速范围内效率都比较高,而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电动机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行,是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大缺点是转矩脉动大,噪声大。此外,相对永磁电机而言,功率密度和效率偏低;另一个缺点是要使用位置传感器,增加了结构复杂性,降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。
永磁式开关磁阻电动机也称为双凸极永磁电动机,永磁式开关磁阻电动机可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上叠加了永磁转矩,永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动,以利于它在电动车辆驱动系统中应用。
转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注。转子磁极分割型混合励磁结构同步电动机具有磁场控制能力,类似直流电动机的低速助磁控制和高速弱磁控制,符合电动车辆牵引电动机低速大力矩和恒功率宽调速的需求。目前该电机的研究处于探索阶段,电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善,作为候选的电动车辆牵引电动机具有较强的潜在的竞争优势。
开关磁阻性能好，优点明显同时缺点也非常明显，相关知识可参考以下链接。
开关磁阻电机基本介绍:开关磁阻电机基础知识、百度百科：开关磁阻电机、开关磁阻电机特点及应用
个人能力所限，关于各个分类的电机的详细分析还没有形成一个系统的认识，加之目前新能源汽车用驱动电机主要集中在交流异步电机和永磁同步电机这两类，因此后续内容主要集中在应用最多的永磁同步电机上，顺带介绍一下交流异步电机。
感应电机同永磁电机对比分析
在上表中我们可以看出交流异步电机的优点是：可靠性高，过载能力强、成本稍低，缺点是：功率密度相对较低、效率较低。永磁同步电机的优点是：效率高、功率密度高，缺点是：可靠性稍低，过载能力较低，成本较高。
针对这两类电机的优缺点个人认为：
1）交流异步电机比较适合用在大巴车、物流车等对安装布置空间不敏感，要求过载能力强的车型上。
2）永磁同步电机比较适合用在乘用车上，乘用车对安装布置空间要求高，一般不会产生过载。
感应电机与永磁电机的效率对比
图3 感应电机损耗比率表
如上表所示感应电机的损耗主要包括：转子铜损、杂散损耗、定子铜损（磁通电流）、定子铜损（转矩电流）、摩擦和风阻损耗、定子铁损这几部分组成。相同功率的永磁电机相比感应电机没有转子铜损和定子铜损（磁通电流）因此永磁电机相比感应电机效率更高。
交流异步电机和永磁同步电机可靠性对比
交流异步电机只使用铁和铜材料组成不使用永磁材料，永磁材料温度特性差(一般80℃经过特殊处理的能够达到200℃)，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理方法使之得以改进，才能达到实际应用的要求。相比交流异步电机永磁同步电机在耐温性能差和高转速下永磁容易产生机械损伤，因此永磁同步电机相比交流异步电机可靠性要差。
同时由于永磁同步电机磁场是由永磁体产生如不采取弱磁控制磁场强度是“恒定的”如果电机处于高转速下，电机的反电动势很可能会超过控制器的最高输出电压造成控制器损坏。因此在电机高速运行时会进行弱磁控制降低反电动势，以提高电机转速。
参考文章，扩展阅读：
《纯电动轿车驱动电机的选型分析》金灵 宋亮 耿冲 王琳琳
《电动车驱动电机发展现状》柴海波，鄢治国，况明伟，吴建东
《国外驱动电机在新能源汽车上的应用与发展》杨妙梁
《蔡蔚驱动电机讲座课件》蔡蔚
《动车电机驱动系统的现状和展望》 贡俊 黄苏融
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