我國車用電機(jī)在全球資源條件下具有明顯的比較優(yōu)勢,，發(fā)展?jié)摿^大。從新能源汽車的產(chǎn)業(yè)鏈來看,，受益端將主要集中在核心零部件領(lǐng)域。國內(nèi)車用驅(qū)動電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀：電機(jī)業(yè)中的小行業(yè),、但制造門檻高,，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)還存在較多差距與不足,，但國內(nèi)政策扶持將加快產(chǎn)業(yè)步伐。
作為新能源汽車的核心部件(電池,、電機(jī),、電控)之一，圖1,，驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)未來發(fā)展前景可觀,。
驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)簡介
新能源汽車具有環(huán)保、節(jié)約,、簡單三大優(yōu)勢,。在純電動汽車上體現(xiàn)尤為明顯：以電動機(jī)代替燃油機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動而無需自動變速箱,。相對于自動變速箱,，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟,、運(yùn)行可靠,。
傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)能高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速限制在一個窄的范圍內(nèi)，這就是為何傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車需要龐大而復(fù)雜的變速機(jī)構(gòu)的原因,；而電動機(jī)可以在相當(dāng)寬廣的速度范圍內(nèi)高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,，在純電動車行駛過程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易,，噪音低,。
與混合動力汽車相比，純電動車使用單一電能源,，電控系統(tǒng)大大減少了汽車內(nèi)部機(jī)械傳動系統(tǒng),，結(jié)構(gòu)更簡化，也降低了機(jī)械部件摩擦導(dǎo)致的能量損耗及噪音,，節(jié)省了汽車內(nèi)部空間,、重量。電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu),，驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件(電池,、電機(jī)、電控)之一,，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo),，它是電動汽車的重要部件。
電動汽車中的燃料電池汽車FCV,、混合動力汽車HEV和純電動汽車EV三大類都要用電動機(jī)來驅(qū)動車輪行駛,，選擇合適的電動機(jī)是提高各類電動汽車性價比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項(xiàng)性能要求，并具有堅(jiān)固耐用,、造價低,、效能高等特點(diǎn)的電動機(jī)驅(qū)動方式顯得極其重要。
驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)是新能源車三大核心部件之一,。電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu),，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，它是電動汽車的重要部件,。電動汽車的整個驅(qū)動系統(tǒng)包括電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與其機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)兩個部分,。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器,、控制器,、各種檢測傳感器以及電源等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如下圖2所示,。
電動機(jī)一般要求具有電動,、發(fā)電兩項(xiàng)功能，按類型可選用直流,、交流,、永磁無刷或開關(guān)磁阻等幾種電動機(jī)，如圖3,。功率轉(zhuǎn)換器按所選電機(jī)類型,，有DC/DC功率變換器、DC/AC功率變換器等形式,，其作用是按所選電動機(jī)驅(qū)動電流要求,，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓等級的直流、交流或脈沖電源,。
電機(jī)是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)電磁機(jī)械,，用于實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。運(yùn)行時從電系統(tǒng)吸收電功率,，向機(jī)械系統(tǒng)輸出機(jī)械功率,。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機(jī)、控制器(逆變器)構(gòu)成,，驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器所占的成本之比約為1:1,，根據(jù)設(shè)計(jì)原理與分類方式的不同，電機(jī)的具體構(gòu)造與成本構(gòu)成也有所差異,。電機(jī)的控制系統(tǒng)主要起到調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),，使其滿足整車不同運(yùn)行要求的目的。針對不同類型的電機(jī),，控制系統(tǒng)的原理與方式有很大差別,。
圖2 電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖
圖3 電機(jī)的分類(按原理)
電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的基本要求
比較四種常用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用以及優(yōu)缺點(diǎn)等。
1.電動汽車電機(jī)的基本要求有以下幾點(diǎn)：
(1)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小,，封裝尺寸有限,，必須根據(jù)具體產(chǎn)品進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),。
(2)重量輕,，以減輕車輛的整體重量。應(yīng)盡量采用鋁合金外殼,，同時轉(zhuǎn)速要高,，以減輕整車的質(zhì)量，增加電機(jī)與車體的適配性,，擴(kuò)大車體可利用空間,，從而提高乘坐的舒適性。
(3)可靠性高,、失效模式可控,，以保證乘車者的安全。
(4)提供精確的力矩控制,，動態(tài)性能較好,。
(5)效率高，功率密度較高,。要保證在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有很高的效率,，以降低功率損耗，提高一次充電的續(xù)駛里程,。
(6)成本低,，以降低車輛生產(chǎn)的整體費(fèi)用。
(7)調(diào)速范圍寬,。應(yīng)包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū),，低速運(yùn)行輸出的恒定轉(zhuǎn)矩大，以滿足汽車快速啟動,、加速,、負(fù)荷爬坡等要求；高速運(yùn)行輸出恒定功率,，有較大的調(diào)速范圍,，以滿足平坦的路面、超車等高速行駛的要求,。
(8)瞬時功率大,，過載能力強(qiáng)。要保證汽車具有4~5倍的過載能力,，以滿足短時內(nèi)加速行駛與最大爬坡的要求,。
(9)環(huán)境適應(yīng)性好。要適應(yīng)汽車本身行駛的不同區(qū)域環(huán)境，即使在較惡劣的環(huán)境中也能夠正常工作,，具有良好的耐高溫,、耐潮濕性能。
(10)制動再生效率高,。在汽車減速時,，能夠?qū)崿F(xiàn)反饋制動，將能量回收并反饋回電池,，使得電動汽車具有最佳能量利用率,。
(11)其他。結(jié)構(gòu)簡單,，價格低廉,，適合大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時噪聲低,，使用維修方便,。
(12)與一般工業(yè)用電機(jī)不同，用于汽車的驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬,、起動轉(zhuǎn)矩大,、后備功率高、效率高的特性,，此外,，還要求可靠性高、耐高溫及耐潮,、結(jié)構(gòu)簡單,、成本低、維護(hù)簡單,、適合大規(guī)模生產(chǎn)等,。未來我國電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)將朝著永磁化、數(shù)字化和集成化方向發(fā)展,。
2,、異步電動機(jī)(感應(yīng)電動機(jī))在新能源汽車中的應(yīng)用
(1)異步電動機(jī)介紹
感應(yīng)電動機(jī)又稱“異步電動機(jī)”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中,，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下,，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導(dǎo)體,，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機(jī)中不轉(zhuǎn)動的部分,，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,。旋轉(zhuǎn)磁場并不是用機(jī)械方法來實(shí)現(xiàn),。而是以交流電通于數(shù)對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變,，故相當(dāng)于一個旋轉(zhuǎn)的磁場,。這種電動機(jī)并不像直流電動機(jī)有電刷或集電環(huán)，依據(jù)所用交流電的種類有單相電動機(jī)和三相電動機(jī),。
(2)異步電動機(jī)的特點(diǎn)
異步電動機(jī)有下面的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊,、堅(jiān)固耐用；運(yùn)行可靠,、維護(hù)方便,；價格低廉，體積小,、質(zhì)量輕；環(huán)境適應(yīng)性好,；轉(zhuǎn)矩脈動低,，噪聲低。交流異步電動機(jī)成本低而且可靠性高,，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時也不會產(chǎn)生反電動勢,，所以不會出現(xiàn)急剎車的可能性。
因此,，廣泛應(yīng)用于大型高速的電動汽車中,。三相籠型異步電動機(jī)的功率容量覆蓋面很廣，從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦,。它可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式,，冷卻自由度高、對環(huán)境的適應(yīng)性好,，并且能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動,。與同樣功率的直流電動機(jī)相比較，效率較高,、重量約要輕一半左右,。
同時它有下面的缺點(diǎn)：功率因數(shù)低，運(yùn)行時必須從電網(wǎng)吸收無功電流來建立磁場,；控制復(fù)雜,，易受電機(jī)參數(shù)及負(fù)載變化的影響；轉(zhuǎn)子不易散熱,；調(diào)速性能差,，調(diào)速范圍窄。
優(yōu)勢分析：新能源汽車專用的電動機(jī),，通過從電池中獲取有限的能量產(chǎn)生動作,，所以要求其在各種環(huán)境下的效率都要很好,。因而，在性能上要求比一般工業(yè)用的電動機(jī)更加嚴(yán)格,。適合作為電動汽車專用的電機(jī)需要滿足幾個特性：由高速化而生的小型輕量化(堅(jiān)固性),、高效性(一次充電后的續(xù)駛里程長)、低速大轉(zhuǎn)矩情況下的大范圍內(nèi)的恒定輸出特性,、壽命長以及高可靠性,、低噪聲性和成本低廉。但是現(xiàn)實(shí)中全部滿足以上幾個特性的電機(jī)還未被開發(fā)出來,。目前更適于新能源汽車的電機(jī)是交流異步電機(jī)和PM電動機(jī),。
(3)異步電動機(jī)的控制系統(tǒng)
由于交流三相感應(yīng)電機(jī)不能直接使用直流電，因此需要逆變裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制,。新能源汽車減速或制動時,，電機(jī)處在發(fā)電制動狀態(tài)，給蓄電池充電,，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,。在新能源汽車上，由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的PWM功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電,。
三相異步電動機(jī)逆變器的控制方法主要有V/f恒定控制法,、轉(zhuǎn)差率控制法、矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制法(DTC),。20世紀(jì)90年代以前主要使用前兩種控制方式,，但是因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想,，而對于需頻繁起動,、加減速的電動車并不適合。現(xiàn)在,，后兩種控制方式目前處于主流的地位,。
(4)異步電動機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀
在美國，異步電動機(jī)應(yīng)用的較多,，這也被人為是和路況有關(guān),。在美國，高速公路已經(jīng)具有一定的規(guī)模,，除了大城市外,，汽車一般以一定的高速持續(xù)行駛，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)而且在高速時有較高效率的異步電動機(jī)得到廣泛應(yīng)用,。在我國,，隨著高速公路規(guī)模的發(fā)展，交流異步電動機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用也會越來越重要,。
3,、永磁無刷電動機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用
隨著近些年來電力電子技術(shù),、微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù),、稀土永磁材料,、傳感器技術(shù)與電機(jī)控制理論的快速發(fā)展，使得交流驅(qū)動技術(shù)逐漸成熟,。
相比于現(xiàn)有串勵或者并勵有刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),，永磁無刷電機(jī)擁有功率密度大、體積小,、效率高,、結(jié)構(gòu)簡單牢固、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),，且采用永磁無刷電機(jī)作為驅(qū)動元件的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本較低,；采用全數(shù)字化和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動器接口靈活,，控制能力更強(qiáng),，操作更加舒適；應(yīng)用能量回饋制動技術(shù),，可以減少剎車片的磨損，同時又增加汽車?yán)m(xù)駛里程,。
因此,，基于電動汽車市場發(fā)展需要和技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)可靠,、低成本,、性能優(yōu)良的全數(shù)字化電動汽車永磁無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，對于電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義,。
(1)永磁同步電動機(jī)簡介
在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場有兩種方法,。一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生磁場，這種方法既需要有專門的繞組和相應(yīng)的裝置,，又需要不斷供給能量以維持電流流動,，例如普通的直流電機(jī)和同步電機(jī)。另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場,，這種方法既可簡化電機(jī)結(jié)構(gòu),，又可節(jié)約能量。由永磁體產(chǎn)生磁場的電機(jī)就是永磁電機(jī),。
它利用永磁體建立勵磁磁場的同步電動機(jī),，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成,。同步發(fā)電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換,，需要有一個直流磁場而產(chǎn)生這個磁場的直流電流,，稱為發(fā)電機(jī)的勵磁電流。根據(jù)勵磁電流的供給方式,，凡是從其它電源獲得勵磁電流的發(fā)電機(jī),，稱為他勵發(fā)電機(jī)，從發(fā)電機(jī)本身獲得勵磁電源的,，則稱為自勵發(fā)電機(jī),。
(2)永磁同步電動機(jī)的特點(diǎn)
永磁同步電動機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)大，效率高,，功率密度大,；結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù),，使用壽命較長,、可靠性高；調(diào)速性能好,，精度高,；具有良好的瞬時特性，轉(zhuǎn)動慣量低,，響應(yīng)速度快,；頻率高，輸出轉(zhuǎn)矩大,，極限轉(zhuǎn)速和制動性能優(yōu)于其他類型的電機(jī),；采用電子功率器件作為換向裝置，驅(qū)動靈活,，可控性強(qiáng),；形狀和尺寸靈活多樣，便于進(jìn)行外形設(shè)計(jì),；采用稀土永磁材料后電機(jī)的體積小,、質(zhì)量輕。
但是永磁同步電動機(jī)也有以下缺點(diǎn)：電機(jī)造價較高,；在恒功率模式下,，操縱較為復(fù)雜，控制系統(tǒng)成本較高,；弱磁能力差,，調(diào)速范圍有限；功率范圍較小,，受磁材料工藝的影響和限制,，最大功率僅為幾十千瓦；低速時額定電流較大,，損耗大,，效率較低,；永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時,，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象,，將降低永磁電動機(jī)的性能，嚴(yán)重時還會損壞電動機(jī),，在使用中必須嚴(yán)格控制,，使其不發(fā)生過載。永磁材料磁場不可變,，要想增大電機(jī)的功率,，其體積會很大；抗腐蝕性差,；不易裝配,。
(3)永磁電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的優(yōu)越性
①轉(zhuǎn)矩、功率密度大,、起動力矩大,。永磁電機(jī)氣隙磁密度可大大提高，電機(jī)指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì),，使得電機(jī)體積縮小,、重量減輕，同容量的稀土永磁電機(jī)體積,、重量,、所用材料可以減輕30%左右。永磁驅(qū)動電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩大,，在汽車啟動時能提供有效地啟動轉(zhuǎn)矩，滿足汽車的運(yùn)行需求,。
②力能指標(biāo)好,。Y系列電機(jī)在60%的負(fù)荷下工作時,效率下降15%,功率因數(shù)下降30%，力能指標(biāo)下降40%,。而永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微,當(dāng)電機(jī)只有20%負(fù)荷時,其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的80%以上,。同時永磁無刷同步電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長,一直延伸到電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的50%左右,這對提高汽車的低速動力性能有很大幫助。
③高效節(jié)能,。在轉(zhuǎn)子上嵌入稀土永磁材料后,在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子繞組無感生電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗,提高了電機(jī)效率,。永磁電機(jī)不但可減小電阻損耗,還能有效地提高功率因數(shù)。如在25%-120%額定負(fù)載范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)均可保持較高的效率和功率因素,。
④結(jié)構(gòu)簡單,、可靠性高。用永磁材料勵磁,可將原勵磁電機(jī)中勵磁線圈由一塊或多塊永磁體替代,零部件大量減少,在結(jié)構(gòu)上大大簡化,，改善了電機(jī)的工藝性,而且電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械可靠性大為增強(qiáng),壽命增加,。轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無功電流,，電機(jī)溫升低,這樣也可以使整車?yán)鋮s系統(tǒng)的負(fù)荷降低,進(jìn)一步提高整車運(yùn)行的效率。
(4)永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)
永磁電機(jī)的控制技術(shù)與感應(yīng)電機(jī)類似,，控制策略上主要集中在提高低速轉(zhuǎn)矩特性和高速恒功率特性上,。目前，永磁同步電機(jī)低速時常采用矢量控制,，包括氣隙磁場定向,、轉(zhuǎn)子磁鏈定向、定子磁鏈定向等,；而在高速運(yùn)行時,，永磁同步電機(jī)通常采用弱磁控制。
(5)永磁電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀
稀土永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論,、計(jì)算方法,、檢測技術(shù)和制造工藝正不斷地完善和發(fā)展,永磁材料的性能和可靠性正不斷地提高。電力電子技術(shù),、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也對永磁驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用,。隨著未來混合動力汽車和純電動汽車的快速發(fā)展,永磁驅(qū)動電機(jī)將迎來一個更為快速發(fā)展的時期,其發(fā)展趨勢也將呈現(xiàn)以下特點(diǎn):高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度,、高可控性,、高效率、高性能,、高價格比等,以滿足混合動力汽車和純電動汽車的實(shí)際需求,。
4、開關(guān)磁阻電動機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用
(1)開關(guān)磁阻電動機(jī)簡介
開關(guān)磁阻電動機(jī)(SwitchedReluctanceDrive：SRD)是繼變頻調(diào)速系統(tǒng),、無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調(diào)速系統(tǒng),，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù),、電力電子技術(shù),、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)為一體的光,、機(jī),、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流,、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),。
開關(guān)磁阻電機(jī)覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)。使的開關(guān)磁阻電機(jī)存在許多潛在的領(lǐng)域,，在各種需要調(diào)速和高效率的場合均能得到廣泛使用(電動車驅(qū)動,、通用工業(yè)、家用電器、紡織機(jī)械,、電力傳動系統(tǒng)等各個領(lǐng)域),。
開關(guān)磁阻電動機(jī)工作原理：開關(guān)磁阻電動機(jī)的運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時,，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合,。
(2)開關(guān)磁阻電機(jī)特點(diǎn)
它的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動機(jī)都要簡單，在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán),、繞組和永磁體等,，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的端部較短,，沒有相間跨接線,，維護(hù)修理容易。因而可靠性好,，轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min,。效率可達(dá)85%～93%呢，比交流感應(yīng)電動機(jī)要高,。損耗主要在定子,，電機(jī)易于冷卻；轉(zhuǎn)子元永磁體,，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性,，而且在很廣的范圍內(nèi)保持高效率。更加適合電動汽車動力性能要求,。
開關(guān)磁阻電機(jī)還具有在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行,、控制靈活、可四象運(yùn)行,、響應(yīng)速度快,、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。工藝性好,，適用于高速,，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向與繞組電流的方向無關(guān),；適用于頻繁啟停以及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行；啟動電流小,，轉(zhuǎn)矩大,；可控參數(shù)多，調(diào)速性能好,；具有較強(qiáng)的再生制動能力,；定子和轉(zhuǎn)子的材料均采用硅鋼片，易于獲取和回收利用。
但開關(guān)磁阻電機(jī)有轉(zhuǎn)矩波動大,、需要位置檢測器,、系統(tǒng)非線性特性，磁場為跳躍性旋轉(zhuǎn),，控制系統(tǒng)復(fù)雜,；對直流電源會產(chǎn)生很大的脈沖電流等缺點(diǎn)。位置檢測器是開關(guān)磁阻電動機(jī)的關(guān)鍵器件,，其性能對開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制操作有重要影響,。由于開關(guān)磁阻電動機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動,，噪聲是開關(guān)磁阻電動機(jī)最主要的缺點(diǎn),。
但近年來的研究表明，采用合理的設(shè)計(jì),、制造和控制技術(shù),，開關(guān)磁阻電動機(jī)的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外,，由于開關(guān)磁阻電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動較大,，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器,。
(3)開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)
開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的核心是開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM),，它涉及到電動機(jī)，電力電子,，微機(jī),，控制，光電轉(zhuǎn)換,，角度測量等等多學(xué)科知識,，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)要求也比較獨(dú)特,，感應(yīng)電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)的控制方法通常難以滿足系統(tǒng)的控制要求,。目前電動汽車應(yīng)用較少。它的主要研究方向是模型研究,。
由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有明顯的非線性特性,，系統(tǒng)難于建模，一般的線性控制方式不適于開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng),。目前主要利用模糊邏輯控制,、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。
它的控制系統(tǒng)包括功率變換器,、控制器和位置傳感器及速度檢測器等部分,。
①功率變換器
開關(guān)磁阻電動機(jī)的勵磁繞組，無論通過正向電流或反向電流，其轉(zhuǎn)矩方向不變,，期換向,，每相只需要一個容量較小的功率開關(guān)管，功率變換器電路較簡單,，不會出現(xiàn)直通故障,，可靠性好，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動和四象限運(yùn)行,，具有較強(qiáng)的再生制動能力,。成本比交流三相感應(yīng)電動機(jī)的逆變器控制系統(tǒng)要低。
②控制器
控制器由微處理器,、數(shù)字邏輯電路等元件組成,。微處理器根據(jù)駕駛員輸入的命令，同時對位置檢測器,、電流檢測器所反饋的電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置,，進(jìn)行分析、處理,，并在瞬間做出決策,，發(fā)出一系列執(zhí)行命令，來控制開關(guān)磁阻電動機(jī)適應(yīng)電動汽車不同條件下運(yùn)行,?？刂破餍阅芎脡暮驼{(diào)節(jié)的靈活性，取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關(guān)系,。
③位置檢測器
開關(guān)磁阻電動機(jī)需要高精度的位置檢測器,，來為控制系統(tǒng)提供電動機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速和電流的變化信號,，并要求有較高的開關(guān)頻率以降低開關(guān)磁阻電動機(jī)的噪聲,。
5、直流電動機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用
直流電機(jī)可分為永磁式直流電機(jī)和繞組勵磁式電機(jī)兩種,。一般小功率采用前者,，大功率采用后者，下面主要討論后者,。
(1)直流電動機(jī)簡介
直流電機(jī):將直流電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能(直流電動機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能(直流發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī),。
直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子,，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場,，由機(jī)座、主磁極,、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成,。運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子,，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐,，所以通常又稱為電樞,，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心,、電樞繞組,、換向器和風(fēng)扇等組成。
有刷直流電動機(jī)被廣泛用于要求轉(zhuǎn)速可調(diào),、調(diào)速性能好,，以及頻繁起動、制動和反轉(zhuǎn)的場合,。
(2)直流電動機(jī)的特點(diǎn)
直流電動機(jī)有下面的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,；具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，可實(shí)現(xiàn)基速以下恒轉(zhuǎn)矩,、基速以上恒功率,，可滿足汽車對動力源低速高轉(zhuǎn)矩、高速低轉(zhuǎn)矩的要求,；可頻繁快速啟動,、制動和反轉(zhuǎn)；調(diào)速平滑,、無級,、精確、方便,，范圍廣,；抗過載能力強(qiáng)，能夠承受頻繁的沖擊負(fù)載,；控制方法簡單,，只需要用電壓控制，不需要檢測磁極位置,。
但是它也有下面缺點(diǎn)：設(shè)有電刷和換向器,，高速和大負(fù)荷運(yùn)行時換向器表面易產(chǎn)生電火花，同時換向器維護(hù)困難,，很難向大容量,、高速度發(fā)展，此外電火花會產(chǎn)生電磁干擾,；不宜在多塵,、潮濕,、易燃易爆的環(huán)境中使用；價格高,、體積和質(zhì)量大,。其中電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對高度電子化的電動汽車來說將是致命的,。隨著電子力子技術(shù)和控制理論的發(fā)展,，相對于其它驅(qū)動系統(tǒng)而言，直流電機(jī)在電動汽車中的應(yīng)用已處于劣勢,，目前已逐漸被淘汰,。
(3)直流電機(jī)的控制系統(tǒng)
直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要由斬波器和中央控制器構(gòu)成，根據(jù)直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的需要,，通過斬波器來控制電機(jī)的輸入電壓,、電流，來控制和驅(qū)動直流電機(jī)的運(yùn)行,。
6,、各種電機(jī)的比較
我們先比較各種電機(jī)的發(fā)展歷史，從圖4上我們可以看到,，有刷直流電機(jī),、一般同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)與有刷磁鐵電機(jī)商品化歷史最長,，其產(chǎn)品更新?lián)Q代不斷,，而且迄今還在應(yīng)用。而自上世紀(jì)80年代開始進(jìn)入商品化的表面永磁同步電機(jī)與1990年代以來研制開發(fā)的開關(guān)磁阻電機(jī),、內(nèi)置式永磁同步電機(jī)以及最新的同步磁阻電機(jī)相繼進(jìn)入市場,，并在電動汽車與混合動力車上獲得應(yīng)用。
圖4：各種電機(jī)的發(fā)展歷史比較
就目前發(fā)展水平,，各類驅(qū)動電機(jī)基本性能比較如下：
圖5：各類驅(qū)動電機(jī)基本性能比較
圖6：各類驅(qū)動電機(jī)基本性能比較
然后再比較各種電機(jī)在哪些新能源汽車上應(yīng)用比較廣,。異步電機(jī)主要應(yīng)用在純電動汽車，永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在混合動力汽車中,，開關(guān)磁阻電機(jī)目前主要應(yīng)用在客車中,。而從中國不同種類新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的應(yīng)用來看，目前交流異步感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)主要應(yīng)用于新能源商用車,特別是新能源客車,，開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際裝配應(yīng)用較少,；永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用于新能源乘用車。
最后比較各種電機(jī)在我國發(fā)展現(xiàn)狀：
(1)交流異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)平臺,，形成了小批量生產(chǎn)的開發(fā),、制造、試驗(yàn)及服務(wù)體系,；產(chǎn)品性能基本滿足整車需求,，大功率異步電機(jī)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類電動客車,；通過示范運(yùn)行和小規(guī)模市場化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗(yàn)證,。
(2)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)已形成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自主研發(fā)能力,，通過合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)控制技術(shù),，產(chǎn)品性能基本滿足整車需求；部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力,，能滿足小批量配套需求,，目前部分產(chǎn)品已配套整車示范運(yùn)行，效果良好,。
(3)無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)國內(nèi)企業(yè)通過合理設(shè)計(jì)及改進(jìn)控制技術(shù),，有效提高了無刷直流電機(jī)產(chǎn)品性能，基本滿足電動汽車需求,；已初步具有機(jī)電一體化設(shè)計(jì)能力,。
(4)永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開發(fā)了不同系列產(chǎn)品,，可應(yīng)用于各類電動汽車,；產(chǎn)品部分技術(shù)指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平，但總體水平與國外仍有一定差距,；基本具備永磁同步電機(jī)集成化設(shè)計(jì)能力,；多數(shù)公司仍處于小規(guī)模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司已投資建立車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)專用生產(chǎn)線,。
(5)永磁電機(jī)材料永磁電機(jī)的主要材料有釹鐵硼磁鋼,、硅鋼等。部分公司掌握了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術(shù),。國內(nèi)研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可280℃,，但技術(shù)水平仍與德國和日本有較大差距。硅鋼是制造電機(jī)鐵芯的重要磁性材料,，其成本占電機(jī)本體的20%左右,，其厚度對鐵耗有較大影響，日本已生產(chǎn)出0.27mm硅鋼片用于車用電機(jī),，我國僅開發(fā)出0.35mm硅鋼片,。
7、新能源汽車驅(qū)動電機(jī)未來展望
新能源汽車驅(qū)動電機(jī)目前的發(fā)展方向有以下幾方面：小型輕量化,；高效性,；更出色的轉(zhuǎn)矩特性；使用壽命長,，可靠性高,；噪聲低,；價格低廉。隨著時間的推移,，新能源驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)了下面的趨勢：
①電機(jī)本體永磁化：永磁電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度,、高功率密度、高效率,、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機(jī)是我國車用驅(qū)動電機(jī)的重要發(fā)展方向,。
②電機(jī)控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn),，促進(jìn)了電機(jī)控制器的數(shù)字化，提高了電機(jī)系統(tǒng)的控制精度,，有效減小了系統(tǒng)體積,。
③電機(jī)系統(tǒng)集成化：通過機(jī)電集成(電機(jī)與發(fā)動機(jī)集成或電機(jī)與變速箱集成)和控制器集成，有利于減小驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積,，可有效降低系統(tǒng)制造成本,。
下面談?wù)劧喾N未來的電機(jī)，隨著新能源汽車驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展,，許多新結(jié)構(gòu)或新概念電機(jī)已經(jīng)投入研究,。其中新型永磁無刷電機(jī)是目前最有前景的電機(jī)之一，包括混合勵磁型,、輪轂型,、雙定子型、記憶型以及磁性齒輪復(fù)合型等,。此外非晶電機(jī)也開始走進(jìn)新能源汽車領(lǐng)域,，作為新一代高性能電機(jī)，其自身的優(yōu)越性必將對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動作用,。
(1)混合勵磁電機(jī)
混合勵磁電機(jī)是在保持電機(jī)較高效率的前提下,，改變電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩種勵磁源共同產(chǎn)生電機(jī)主磁場,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)主磁場的調(diào)節(jié)和控制,，改善電機(jī)調(diào)速、驅(qū)動性能或調(diào)壓特性的一類新型電機(jī),。其不僅繼承了永磁電機(jī)的諸多特點(diǎn),，而且還具有電勵磁電機(jī)氣隙磁場平滑可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。如永磁開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步磁阻電機(jī),。
(2)雙定子永磁電機(jī)
雙定子電機(jī)是在現(xiàn)有電機(jī)體積不變的基礎(chǔ)上增加定子的個數(shù),，使氣隙數(shù)量由一層變?yōu)閮蓪踊蛘叨鄬拥囊环N新型永磁無刷電機(jī)。由于轉(zhuǎn)矩的疊加,，作用于轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)增加,，從而提高電機(jī)整體的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度,。由于這種電機(jī)的機(jī)械集成度較高，所以其具有響應(yīng)快,、動態(tài)特性好,，結(jié)構(gòu)材料利用率高和驅(qū)動靈活等特點(diǎn)。
(3)記憶電機(jī)
記憶電機(jī)又稱為磁通可控永磁電機(jī),，與一般永磁電機(jī)的區(qū)別在于,，永磁材料本身的磁化程度能夠在很短的時間內(nèi)通過施加充磁或者去磁電動勢而得到改變，并且充磁和去磁之后其磁化程度也能被保留住記憶,。因此具有更寬的調(diào)速范圍,，同時可以避免產(chǎn)生額外的勵磁損耗，實(shí)質(zhì)上是一種新的簡單高效的弱磁控制技術(shù),。
(4)磁性齒輪永磁無刷復(fù)合電機(jī)
該電機(jī)是一種集成無刷直流驅(qū)動電機(jī)和共軸磁性齒輪的復(fù)合電機(jī)。所謂共軸磁性齒輪是一種基于調(diào)磁諧波原理的高性能,、無接觸的變速傳遞裝置,。這種電機(jī)巧妙地利用了共軸磁性齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子的中空部分，將電機(jī)定子嵌入其中,，將輪胎直接鉚合在齒輪外轉(zhuǎn)子上,，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、磁性齒輪,、輪胎的一體化,，有效地提高了空間利用率。
(5)非晶電機(jī)
非晶電機(jī)是一種利用非晶合金取代傳統(tǒng)硅鋼片作為鐵心材料的高效,、節(jié)能,、無污染的新型電機(jī)。其在高頻下的損耗極低,，具有很高的效率,；與相同標(biāo)準(zhǔn)的普通電機(jī)相比，體積和質(zhì)量大大減小,，極大地提高了能源和資源的利用率,。
對于同樣的新能源汽車，若使用非晶電機(jī)可以增加其行駛里程30%以上,，而在相同行駛里程的情況下,，電池可以節(jié)省30%的費(fèi)用?？傊?，非晶電機(jī)憑借其高效率、高功率密度等優(yōu)勢將成為替代傳統(tǒng)電機(jī)的下一代高效電機(jī),。