電動汽車用電機發展趨勢
㈠ 電動汽車電動機的發展前景
電動汽車的發展史是螺旋上升的歷史。從1834年美國人達溫坡特(Davenport)在布蘭頓城街上演示他自己製造的小電池車開始，電動車逐漸發展達到興盛。19世紀末，汽車製造成功，由於汽車的性能遠高於電動車，使電動車受到排擠。20世紀60年代，汽車已成為城市主要污染源，70年代出現了石油危機，這使電動車重又得到重視。各國政府開始制定法規研製電動車。汽車工業已發展成為國民經濟的支柱產業，汽車已成為人們生活中不可缺少的一部分；但同時，汽車給城市造成了嚴重的污染，而且全球已探明石油資源僅能開發使用40多年。因此，研究高性能的電動車以替代汽車是歷史的必然。目前，世界電動車的發展已由試運行向推廣應用方向過渡：日本從1996年開始向國內用戶銷售商品車，美國從1997年開始向美國用戶銷售商品車。中國的電動車目前處於研製階段。為了促進國際廣泛的交流與合作，國家科委和機械工業部在1996年12月6～15日舉辦了1996北京國際電動汽車及代用燃料汽車技術交流、研討會暨展覽會。就電動車發展中的各種問題進行了探討。同時，國內外的汽車生產廠家及國內的一些大專院校、科研單位展出了自己研製的電動車。本次會議反映了電動車的一些最新研究成果，從中也可以看出電動車用電機的發展趨勢。
2制約電動車發展的關鍵
以電動車與傳統的燃油汽車進行比較，相當於以電池代替燃油，以電動機代替發動機。由於電池的能量密度(單位重量儲存的能量，wh/kg)遠遠低於燃油，傳統結構電動機的性能又不能直接適用於電動車，因此，電池和電動機既是電動車的核心，同時又是制約電動車發展的關鍵。
3 電動車用電機的發展趨勢
雖然各種各樣的驅動用電動機早已研究得很成熟，但它們並不能直接適用於電動車，因為電動車有其特有的運行特點，所以所用的電動機必須滿足這些特點才能獲得高性能。
3．1電動車的特點
電動車最顯著的特點是頻繁的起停、加減速，而不是運行於某一恆速下。電動車主要用於在污染比較嚴重的大中城市市區固定路線行駛和某些特殊場合，如機場、車站、碼頭、倉庫、遂道和旅遊區域等地方。人們對電動車的1次充電行駛距離和最高時速有一定要求，但要求不是很高。一般1次充電行駛50～100km，最高時速在100km/h以內就可滿足要求。從長遠看，電動車要取代燃油汽車，它的性能必須可與燃油汽車相比，所以它的1次充電行駛距離和最高時速都要大大提高。另外，可靠性和價格也是人們比較關注的問題。
3．2電動車用電機應具備的特點
基於電動車的特點，對所用的電動機就應有一定的要求。為了提高最高時速，電動機應有較高的瞬時功率和功率密度(w/kg)。為了提高1次充電行駛距離，電動機應有較高的效率，而且電動車是變速工作的，所以電動機應有較高的高低速綜合效率。電動車起動和爬坡時速度較低，但要求力矩較大；正常運行時需要的力矩較小，而速度很高，故用於電動車的電機的典型機械特性曲線如附圖所示。即在低速時為恆轉矩特性，高速時為恆功率特性，且電動機的運行速度范圍應該較寬。另外，電動機應堅固、可靠，且價格較低。
3．3電動車用電機的發展趨勢
在電動車發展初期，多採用直流電動機。在試制大客車時用串勵電動機，在小客車及小貨車上用並勵、復勵電動機。隨著永磁材料的發展，永磁直流電動機也有所應用。直流電動機的優點是有比較好的控制特性。但它重量大，效率低，價格貴，而且由於電刷和滑環的存在，需要維護，電刷磨損又會造成不安全工作。因此，隨著電力電子器件的發展，交流電動機逐漸成熟，直流電動機逐漸被交流電動機所取代。這次會議參展的電動機也以使用交流電動機為主。
非同步電動機以其低費用、高可靠性、高速、低轉矩波動/雜訊和不用位置感測器等優點而首先被選用，矢量控制的非同步電動機更以其優異的性能成了電動車的第一選擇。本次參展的美國通用汽車公司的EVl、福特汽車公司的Ranger EV以及國內遠望公司的電動客車都採用了非同步電動機。以．EVl為例，其性能見附表，EVl是曾在1990年芝加哥汽車博覽會上引起轟動的「沖擊」(Impact)概念車的商品化車。可以看出，它的續駛里程和最高時速都達到很高的數值。但同時可見，電動機功率很大，電池電壓很高，其性能與電動機功率或與電池電壓的比值並不高。這是由於非同步電動機存在比較大的銅損，使效率下降。特別是在低速時，效率更低，這是它的致命弱點。
以永磁同步電動機和無刷直流電動機為代表的交流永磁電動機以其低重量、高效率這一特別的優勢而在電動車領域被廣泛應用。這類電動機的價格偏高，但隨著批量生產和永磁材料價格的進一步下降，它的價格會下降。這類電動機也有它的弱點，由於功
率電源電壓的限制，原邊繞組的匝數不能超過一定數值。因此，對於電動機，提高旋轉頻率和不增大電流而提供要求的輸出功率很困難。即在高轉速下如要提供足夠的輸出功率就必須增大電流，這就消耗了大量的電能，降低了效率；若不增大電流，則輸出功率下降，電動車不能正常運行。本次參展使用永磁同步電動機有代表性的是日本豐田公司的RAV4 EV，使用無刷直流電動機有代表性的是清華大學等研製的電動輕型客車和中科院北京三環公司的電動轎車。它們的性能見附表。RAV4 EV使用了高性能的鎳氫電池，其最高時速和續駛里程都較高，已達實用化階段。清華大學和三環公司的電動車使用鉛酸電池，指標也很高。
開關磁阻電機結構簡單、緊密、堅固、效率高，低速時可提供很大的轉矩，且驅動器結構簡單，它曾被專家預測為電動車領域的一匹黑馬。它的缺點主要是振動和雜訊較大。本次參展使用開關磁阻電機的典型電動車是義大利菲亞特公司的菲亞特500型電動車，其性能見附表。可以看出，在一定功率下，它所能提供的最大轉矩較大，即最大轉矩與功率之比較大。
可見，電動車使用的各種電動機各有優點，同時又都有其不利的一面，從而使它們並不能完全適合於電動車。因此，繼續開發適用於電動車的電動機仍是電機工作者的任務。哈爾濱工業大學研究的多態電機就是這樣一種嘗試。這是一種融混合式步進電動機和非同步電動機的結構於一體的電機，即在傳統的混合式步進電動機的轉子槽內配置一套籠型繞組，將定子鐵心分為兩段，兩段定子鐵心之間放置一個軸向電磁勵磁線圈，其餘結構與混合式步進電動機相同。低速時，給電機定子繞組按混合式步進電動機方式供電，則電機作為混合式步進電動機運行。高速時，給電機定子繞組按非同步電動機方式供電，同時軸向電磁勵磁線圈通電產生對磁鋼去磁的軸向磁場，使磁鋼對電機運行不產生或產生很小的影響，這時電機作為非同步電動機運行。這樣，這種多態電機同時具有混合式步進電動機低速時高轉矩和非同步電動機高速時高效率的優點，具有較高的高低速綜合性能和較寬的運行速度范圍。這次參展的EV96—1型電動轎車就是使用的這種多態電機，目前這種電機仍正在研製中。
3．4驅動方式的發展趨勢
傳統燃油汽車的驅動系統中包括發動機、減速器和差速器。這是由於內燃機的速度范圍窄，必須用減速器來擴大速度范圍。使用差速器是便於轉向。減速器和差速器為一系列傳動齒輪，它們在汽車運行中消耗一部分機械能，使車輪得到的功率不到發動機功率的2/3，大大降低了汽車的效率。由於電動機與發動機的不同特點，電動車可以採用四種驅動方式：與傳統燃油汽車相同；省略減速器；進一步省略差速器，電動機同軸驅動車輪，即軸驅；將電動機直接裝在車輪內，即輪驅。可以看出。輪式驅動既完全消除了傳動中的機械磨損，提高了傳動效率，又具有最小的體積、最輕的重量，同時故障率降低。因此，輪式驅動是電動車最佳的驅動方式。國內外對輪式驅動有過一定的研究，如在第26屆東京Motor展覽會上，東京電力公司推出的IZA型電動車就採用了四輪直接驅動方式，其最高時速為176km/h，1次充電行駛距離為548km(以40km/h恆速)，用的是鎳鎘電池，它是當時性能最佳的電動車，這無疑與輪式驅動方式有關。本次參展採用輪式驅動的只有兩家，即中科院北京三環公司和哈爾濱工業大學的電動車。因為輪式驅動控制方式較為復雜，故需要在控制上多做工作。
4結論
a．作為電動車用電機，直流電動機已逐步被淘汰。
b．非同步電動機、交流永磁電動機和開關磁阻電動機都已被用來驅動電動車，它們各有自己的優勢，但也都有各自的弱點，並不完全適合於電動車。
c．進一步研究更適合於驅動電動車的電動機是電機工作者的任務。多態電機是一種有前途的電機。
d．輪式驅動是電動車最佳的驅動方式。
㈡ 現在的電動汽車用的主流電機是直流的還是交流的
電動車用的是霍爾電機，類似交流和直流之間，它是靠控制器將電瓶的直流變成交流的脈沖控制旋轉的，脈沖信號就類似交流，每一個脈沖旋轉一步。頻率越快速度越快。
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㈢ 電動汽車電機的發展經歷
永磁無刷直流電機
通過改變永磁直流電機的定子和轉子的位置，就可以得到永磁無刷直流電機。需注意到是「直流」這個術語會引起誤解，因為它並不是指直流電機，實際上它採用交流方波供電，所以也稱為永磁無刷方波電機。它最大的優點是無刷，消除了電刷帶來的許多問題。而且方波電流方波磁場相互作用可以產生更大的轉矩。佛山照明沈大衛教授給的全稱就是「永磁無刷方波力矩電機」。
永磁無刷同步電機
用永磁材料代替傳統同步電機的勵磁繞組，就能去掉傳統的電刷、滑環和勵磁繞組的銅損，由於採用正弦交流電及無刷結構，又叫永磁無刷交流電機。其優點是高能量密度和高效率，其恆功率區域有更寬的轉速范圍，並可以以矢量控制方法來滿足電動汽車的高性能要求。如南車時代的電機。
非同步電機驅動系統
非同步電機其特點是結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠、低轉矩脈動、低雜訊、不需要位置感測器、轉速極限高。
非同步電機矢量控制調速技術比較成熟，使得非同步電機驅動系統具有明顯的優勢，因此被較早應用於電動汽車的驅動系統，仍然是電動汽車驅動系統的主流產品（尤其在美國），但已被其它新型無刷永磁牽引電機驅動系統逐步取代。最大缺點是驅動電路復雜，成本高；相對永磁電機而言，非同步電機效率和功率密度偏低。
㈣ 電動汽車電動機的市場情況
我國中小型電機有一定生產規模的企業有300多家，生產的電機產品有300多個系列．近l 500個品種。1997年我國中小型電機產量約為25 288MW，1998年約為42 505MW，1999年約為42 O00MW。電動機出口量約l為7 O00MW。可以看出1998年較1997年電機產量有較大的提高，到I999年電機產量略有下降，企業負債持續攀升．效益不斷下滑，行業整體形勢有所下降。但隨著改革開放的深人，國家宏現政策的調整以及市場需求的推動，我國電機產品由勞動密集型、資源密集型向高附加值和高技術含量的產品轉移，出口產品結構也逐步趨向於市場化和台理化。
我國300多個中、小型電機企業大多集中在沿海地區西部地區的企業寥寥無幾，在國家開發西部的大好機遇里對電機行業的發展提供了一個發展的機會。另外我國加入WTO後可將國內一部分富裕的電機生產能力轉移到國外擊，也是發展的一條出路。在國際市場上， 電機是機電產品的重要組成部分之一，每年的貿易額約35億美元 中、小型電機行業單機出口產品主要為交流電動機、交流發電機及直流電動機。
目前我國常年為出口生產的廠家達40家左右，出口的地區及國家達60多個，主要分布情況是東南亞最多，其次是歐洲及美國、日奉、加拿大等國。據中、小 電機行業近80個企業調查．產品出口產量為1996年3 917．4MW，1 9 9 7年4 6 3 8MW 、1 9 9 8年4456MW。據海關統計：中、小型電機出口量為1996年3 768MW 、1997年4 532~1W、1998年6 721MW 和1999年7 O00MW。中．小型電機出門產量占當午辛年產量的10%左右，大約創匯分別為1．I4億美元、1．56億美元、1．85億美元和2．2億美元。約佔世界貿易額的3%～5%，份額很小。由此可以看到中、小型電機的發展還是有很大發展空間的。據統計，我國電機耗電佔全國耗電量的60%以上，其中小型三相非同步電機耗電約佔35%，所以在我國開發推廣高效電機是提高能源利用率的重要措施之一，也符合國際發展趨勢。
我國目前已具備了生產高效電機的技術條件，但由於市場條件不夠成熟，產量和市場容量都較小。1999年高效電機國內市場佔有率僅2%，2000年為4.7%；2001年也只有6.5%，其中70%以上為出口。
㈤ 關於新能源汽車上所用電機
在HEV上是以電動機驅動作為發動機驅動的輔助動力，但又必須對電池組的質量和整車的整備質量進行限制，以減輕HEV的總質量。因此，一般電動－發電機只是在HEV發動機啟動，車輛啟動、加速或爬坡時起作用。電動－發電機又是發動機的飛輪，起調節發動機輸出功率作用。電動－發電機還起發電機的作用，電動－發電機又是發動機的飛輪，起調節發動機輸出功率作用。電動－發電機還起發電機的作用，將發動機的動能轉換為電能，儲存到電池組中去。在HEV下坡或制動時，將汽車慣性動能轉換為電能，儲存到電池組中去。因此，HEV有了電動機的輔助作用，就可以使HEV達到節能和「超低污染」的要求。電動機的種類很多，用途廣泛，功率的覆蓋面非常大。但HEV所採用的電動機種類少，功率覆蓋面也較小。目前主要採用的交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機，不管是電機本身還是它們的控制裝置，成本都比較高，但隨著電動機的電子計算機控制和機電一體化的加速發展，很多新技術正逐步運用到混合動力汽車（HEV）的電動機上，一旦形成大規模批量生產，所用電機乃至整車的成本都會得到大大降低。
（1）混合動力汽車用電動機的發展概況
蒸汽機啟動了18世紀第一次產業革命以後，19世紀末到20世紀上半葉電機又引起了第二次產業革命，使人類進入了電氣化時代。20世紀下半葉的信息技術引發了第三次產業革命，是生產和消費從工業化向自動化，智能化時代轉變；推動了新一代高性能電機驅動系統與伺服系統的研究與發展。21世紀伊始，世界汽車工業又站在了革命的門檻上。雖然，汽車工業是推動社會現代化進程的重要動力，然而，汽車工業的發展也帶來了環境污染愈烈和能源消耗過多兩大問題。顯然，加劇使用傳統內燃機技術發展汽車工業，將會使這兩大全球問題繼續惡化。於是，電動車（包括純電動車，混合動力汽車，燃料電池電動車）概念的提出，將會是未來世界汽車工業發展的新方向，不過就當今世界科技水平來說，混合動力汽車的研究與開發相比其它兩種形式更具有現實意義，應該作為這一新方向的第一步。20世紀80年代前，幾乎所有的電動車驅動電機均為直流電機，但隨著電動車（混合動力汽車）性能的提高，其在高負載下轉速的限制，體積大等缺點逐漸暴露，取而代之的是交流非同步電機，永磁電機，開關磁阻電機以及新型的雙凸極永磁電機，而上述電機在用於混合動力汽車上所表現出來的性能也是一個比一個優越。目前，雙凸極永磁電機的機理和設計控制理論還有待於進一步的研究與完善，不過它作為混合動力汽車的電動機有著潛在的巨大優勢。
（2）混合動力汽車對電動機的基本要求
a.從日本汽車公司開發電動汽車的研究和實踐認為，在採用大功率的電動機來驅動HEV時，與採用小功率的電動機比較，具有電阻小，效率高，比能耗低，動力性能好等優點。但在目前的條件下，各種電池的比能量較小，理所當然地採用小功率的電動機，因而出現電阻大，效率低，比能耗高，動力性能差等問題。
b.混合動力汽車的電動機應具有較大范圍內的調速性能，能夠根據駕駛員對加速踏板和對制動踏板的控制，由中央控制器控制電動機與發動機之間動力的協調。以獲得所需要的起動、加速、行駛、減速、制動等所需的功率與轉矩，使它們達到與內燃機汽車加速踏板同樣的控制效果。
c.混合動力汽車應具有最優化的能量利用，電動機應具有高效率、低損耗，並在車輛減速時實現能量回收並反饋回蓄電池，這點在內燃機汽車上是不能實現的。
d.電動機的質量，各種控制裝置的質量和冷卻系統的質量等也要求盡可能小，因此，大功率的高速電動機具有高性能，質量小等優點，在混合動力汽車得到了廣泛地應用。另外，還要求電動機及控制裝置在運轉時的雜訊要低。
e．各種電動機的電壓，可以達到120～500V，對電氣系統安全性和控制系統的安全性，都必須符合國家（或國際）有關車輛電氣控制的安全性能的標准和規定，裝置高壓保護設備。
除此之外，還要求電動機可靠性好，耐溫和耐潮性能強，能夠在較惡劣的環境下長期工作，結構簡單，適合大批量生產，運行時雜訊低，使用維修方便，價格便宜等。
（3）混合動力汽車所用電動機的選擇策略
在確定混合動力汽車所採用的電動機時，首先應採用技術成熟，性能可靠，控制方便和價格便宜的現成的電動機。一般情況下，電動機性能必須充分滿足單獨用電力驅動模式行駛工況時的要求。電動機在低速時應具有大的轉矩和超載能力。在高速運轉時，應具有大的功率和有較寬闊的恆功率范圍。有足夠的動力性能來克服整車的各種阻力，保證其有良好的起動，加速性能和行駛速度及實現制動時的能量回收。現在混合動力汽車上，主要採用能夠實現變頻、調速的高轉速電動機，高速電機的轉速可以達到1萬～1.2萬r/min，在高速運轉時，有更大的功率和有較寬闊的恆功率范圍，體積較小和質量較小，但要求裝置高精度的高速軸襯，需要用高品質的材質來製作，並要保證高效率的冷卻。
（4）雙凸極永磁電動機的簡介
傳統的開關磁阻電機（SRM）雖然可靠性較高，結構十分簡單，單位體積功率與非同步電動機相當或略高一些，而且在寬廣的調速范圍內都具有相當高的效率，但是，從能量轉換的觀點看，SR電機在定子繞組的一個開關周期中，最多隻有半個周期得到利用，電機實際運行時，為避免在電感下降區產生制動力矩，繞組電流的關斷角不得不較多地提前於最大電感位置，半個周期都未能得到充分利用。因此，SR電機僅獲得「一半的利用率」，由此產生了換流問題和相對材料利用率低問題。可以預見，如果能利用定子繞組整個開關周期，在電感下降區也能產生正向轉矩，SR電機的單位體積功率必將大大提高，但傳統結構的SR電機是難以實現的。如果在SR電機中用永磁材料預先建立一個磁場，通過控制定子繞組的電流方向，使永磁體產生的磁場和繞組電流產生的磁場相互作用，就能實現在電感下降區產生正向轉矩的設想。我國稀土材料的儲存量為世界第一，釹鐵硼等高性能稀土永磁材料在電機領域中已得到廣泛應用，大大提高了電機性能，但在SR電機上的實踐才剛剛開始。
雙凸極永磁電動機(Doubly salient permanent magnet motor,簡稱DSPM)，是隨著功率電子學和微電子學的飛速發展在90年代剛剛出現的一種新型的機電一體化可控交流調速系統。該系統由雙凸極永磁電機、功率變換器、位置感測器和控制器四部分組成。電機定轉子結構外形與開關磁阻電機相似,呈雙凸極結構,但它在轉子(或定子)上放有永磁體,從而使運行原理和控制策略與開關磁阻電機有本質區別。DSPM系統的主要優點是結構簡單、控制靈活、動態響應快、調速性能好、轉矩/電流比大,可實現各種特殊要求的轉矩/轉速特性,功率因數接近於1,效率高,是電工學科近年來繼開關磁阻電機之後又一全新的研究方向。DSPM電機作為一種應用前景看好的交流調速系統,是由美國著名電機專家T.A.Lipo等人於1992年首先提出的,並進行了初步的理論和實驗研究,此後歐美一些國家也相繼開展了對DSPM電機及其控制系統的研製工作,目前國際上對DSPM電機的研究僅停留在初步理論和樣機實驗階段。關於DSPM電機仍有大量的基礎理論問題,包括電機參數計算,模型建立,分析方法,控制策略等有待深入探討。
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