新能源汽車驅動電機的技術發(fā)展路線

驅動電機作為新能源汽車三大核心部件之一，其驅動特性對整車性能有決定性的影響。在我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，驅動電機技術的工程化與產(chǎn)業(yè)化問題一直是各大研究機構和眾多企業(yè)關心的重點。

清華大學電機系柴建云教授就新能源汽車驅動電機的技術發(fā)展路線，特別是永磁同步電機和籠型異步電機等主流技術各自的應用優(yōu)勢等問題進行了深入的解答。

問新能源汽車對驅動電機有什么特殊要求？

問新能源汽車驅動電機的主要類型和目前的應用情況如何？

盡管早期的車輛驅動電機多采用有刷直流電機，但受到機械換向性能的制約，其功率密度和電磁兼容性難以滿足新能源汽車驅動系統(tǒng)的要求，現(xiàn)已被變頻調速交流電機取代。目前新能源汽車驅動電機主要有永磁同步和籠型異步兩種類型。在新能源汽車的發(fā)展歷史中，永磁無刷直流電機和開關磁阻電機等非正弦波電機也曾一度受到廣泛的關注，但隨著數(shù)字控制和高頻開關技術的興起，正弦波交流電機的性能優(yōu)勢突顯，迅速占據(jù)了主流地位。

永磁同步電機由于具有結構緊湊、質量輕、功率密度高且運行效率高，特別是在低速區(qū)輸出轉矩大等特點，成為新能源汽車驅動電機的首選。永磁同步電機的轉子分為表面貼永磁和內(nèi)置永磁兩種基本結構。與表面貼永磁不同的是，內(nèi)置永磁轉子表現(xiàn)出明顯的磁凸極特征，使同步電機中不但存在永磁轉矩，還附加了磁阻轉矩。

因此，內(nèi)置永磁轉子同步電機也被稱為永磁磁阻電機。永磁磁阻電機通過合理的設計和控制，可以兼顧低速大轉矩和高速寬恒功的要求，滿足新能源汽車驅動的需求。反之，表面貼永磁轉子同步電機僅適合于恒功轉速范圍較窄的場合，在新能源汽車驅動中應用較少。需要指出的是，永磁同步電機中適當增加極對數(shù)有助于提高電機的帶載能力。

籠型異步電機也是新能源汽車驅動系統(tǒng)的優(yōu)先選擇之一。其轉子結構簡單可靠，材料與制造成本較低。低速區(qū)輸出轉矩較大；且弱磁方便，具有很寬的恒功運行范圍。新能源汽車驅動異步電機的轉子一般使用銅質鼠籠，以減小轉子繞組的電阻，提高電機的運行效率。采用鑄銅工藝制造的轉子，其電磁性能穩(wěn)定，而且轉子結構更加牢靠，非常適合于高速運行。

另外，功率因數(shù)也是電機的關鍵指標之一。較高的功率因數(shù)即可提高電機本體的運行效率，也可減小電機對逆變器電流的需求。異步電機的功率因數(shù)與極對數(shù)有關。極對數(shù)越多，則功率因數(shù)越低。因此，新能源汽車驅動異步電機的極對數(shù)不宜過多。

問您認為未來哪種類型的驅動電機會占優(yōu)勢？

對于新能源汽車而言，現(xiàn)有大多數(shù)驅動電機系統(tǒng)的功率密度仍然偏低，限制了整車動力性能的進一步提高。未來的新能源汽車要求大幅度提高其驅動系統(tǒng)的功率密度，為配置更加強勁的動力騰出空間。從動力總成的角度看，把高速電機與行星減速器集成為一體的緊湊型減速電機驅動系統(tǒng)將是一條合理可行的解決之道。

通過引入高性能行星減速器，將電機的最高運行轉速從6、7千轉/分提升至接近2萬轉/分，其有效材料最多可以節(jié)省70％，而驅動系統(tǒng)的運行效率仍可維持在較高的水平。即使以高速電機加行星減速器總質量計，緊湊型減速電機驅動系統(tǒng)的功率密度也遠遠超過現(xiàn)有的低速電機系統(tǒng)。

因此，我認為隨著緊湊型減速電機驅動系統(tǒng)技術路線逐步被接受，與之配套的高速電機在未來新能源汽車市場中將會占據(jù)明顯的優(yōu)勢。

問在目前國內(nèi)的新能源汽車市場上，永磁同步電機占據(jù)了壓倒性優(yōu)勢。您認為在未來的新能源汽車市場上，異步電機作為驅動電機有可能重獲發(fā)展機遇嗎？

目前永磁同步電機在新能源汽車市場上占據(jù)壓倒性優(yōu)勢的狀況顯然與當前采用的低速電機技術路線有關。受到電力電子器件開關頻率和鐵心高頻損耗的限制，對于最高轉速處于6、7千轉/分的交流電機，極對數(shù)最多可取到4或5；而對于最高轉速處于1.8－2.0萬轉/分的交流電機，則極對數(shù)最多只能取到2。如前所述，在較少極對數(shù)的情況下，永磁電機在轉矩密度和功率因數(shù)等性能上相對于異步電機的領先優(yōu)勢趨于減小。

反之，永磁電機調磁與滅磁能力比異步電機相對不足，造成的恒功運行范圍較窄、可能發(fā)生局部失磁以及故障保護困難等問題突顯。因此，我認為在未來的新能源汽車動力總成技術發(fā)展中，由高速電機加行星減速器組成的緊湊型減速電機驅動系統(tǒng)將成為主流方向。而在其中鑄銅轉子高速異步電機將會獲得新的發(fā)展機遇。

柴建云

清華大學電機工程與應用電子技術系教授，電力電子與電機系統(tǒng)研究所所長，新能源發(fā)電、特種電機與電力傳動等學科方向帶頭人，清華大學高端裝備研究院動力傳動研究所所長。

主要研究方向：電機電磁場、電機設計與控制、科學可視化等理論以及新能源發(fā)電、特種電機和電力電子與電磁傳動等技術。

主要科研項目：大型變速恒頻風力發(fā)電機組研制和電動汽車先進電驅動系統(tǒng)研制等。