电动汽车用电机发展趋势
㈠ 电动汽车电动机的发展前景
电动汽车的发展史是螺旋上升的历史。从1834年美国人达温坡特(Davenport)在布兰顿城街上演示他自己制造的小电池车开始，电动车逐渐发展达到兴盛。19世纪末，汽车制造成功，由于汽车的性能远高于电动车，使电动车受到排挤。20世纪60年代，汽车已成为城市主要污染源，70年代出现了石油危机，这使电动车重又得到重视。各国政府开始制定法规研制电动车。汽车工业已发展成为国民经济的支柱产业，汽车已成为人们生活中不可缺少的一部分；但同时，汽车给城市造成了严重的污染，而且全球已探明石油资源仅能开发使用40多年。因此，研究高性能的电动车以替代汽车是历史的必然。目前，世界电动车的发展已由试运行向推广应用方向过渡：日本从1996年开始向国内用户销售商品车，美国从1997年开始向美国用户销售商品车。中国的电动车目前处于研制阶段。为了促进国际广泛的交流与合作，国家科委和机械工业部在1996年12月6～15日举办了1996北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术交流、研讨会暨展览会。就电动车发展中的各种问题进行了探讨。同时，国内外的汽车生产厂家及国内的一些大专院校、科研单位展出了自己研制的电动车。本次会议反映了电动车的一些最新研究成果，从中也可以看出电动车用电机的发展趋势。
2制约电动车发展的关键
以电动车与传统的燃油汽车进行比较，相当于以电池代替燃油，以电动机代替发动机。由于电池的能量密度(单位重量储存的能量，wh/kg)远远低于燃油，传统结构电动机的性能又不能直接适用于电动车，因此，电池和电动机既是电动车的核心，同时又是制约电动车发展的关键。
3 电动车用电机的发展趋势
虽然各种各样的驱动用电动机早已研究得很成熟，但它们并不能直接适用于电动车，因为电动车有其特有的运行特点，所以所用的电动机必须满足这些特点才能获得高性能。
3．1电动车的特点
电动车最显著的特点是频繁的起停、加减速，而不是运行于某一恒速下。电动车主要用于在污染比较严重的大中城市市区固定路线行驶和某些特殊场合，如机场、车站、码头、仓库、遂道和旅游区域等地方。人们对电动车的1次充电行驶距离和最高时速有一定要求，但要求不是很高。一般1次充电行驶50～100km，最高时速在100km/h以内就可满足要求。从长远看，电动车要取代燃油汽车，它的性能必须可与燃油汽车相比，所以它的1次充电行驶距离和最高时速都要大大提高。另外，可靠性和价格也是人们比较关注的问题。
3．2电动车用电机应具备的特点
基于电动车的特点，对所用的电动机就应有一定的要求。为了提高最高时速，电动机应有较高的瞬时功率和功率密度(w/kg)。为了提高1次充电行驶距离，电动机应有较高的效率，而且电动车是变速工作的，所以电动机应有较高的高低速综合效率。电动车起动和爬坡时速度较低，但要求力矩较大；正常运行时需要的力矩较小，而速度很高，故用于电动车的电机的典型机械特性曲线如附图所示。即在低速时为恒转矩特性，高速时为恒功率特性，且电动机的运行速度范围应该较宽。另外，电动机应坚固、可靠，且价格较低。
3．3电动车用电机的发展趋势
在电动车发展初期，多采用直流电动机。在试制大客车时用串励电动机，在小客车及小货车上用并励、复励电动机。随着永磁材料的发展，永磁直流电动机也有所应用。直流电动机的优点是有比较好的控制特性。但它重量大，效率低，价格贵，而且由于电刷和滑环的存在，需要维护，电刷磨损又会造成不安全工作。因此，随着电力电子器件的发展，交流电动机逐渐成熟，直流电动机逐渐被交流电动机所取代。这次会议参展的电动机也以使用交流电动机为主。
异步电动机以其低费用、高可靠性、高速、低转矩波动/噪声和不用位置传感器等优点而首先被选用，矢量控制的异步电动机更以其优异的性能成了电动车的第一选择。本次参展的美国通用汽车公司的EVl、福特汽车公司的Ranger EV以及国内远望公司的电动客车都采用了异步电动机。以．EVl为例，其性能见附表，EVl是曾在1990年芝加哥汽车博览会上引起轰动的“冲击”(Impact)概念车的商品化车。可以看出，它的续驶里程和最高时速都达到很高的数值。但同时可见，电动机功率很大，电池电压很高，其性能与电动机功率或与电池电压的比值并不高。这是由于异步电动机存在比较大的铜损，使效率下降。特别是在低速时，效率更低，这是它的致命弱点。
以永磁同步电动机和无刷直流电动机为代表的交流永磁电动机以其低重量、高效率这一特别的优势而在电动车领域被广泛应用。这类电动机的价格偏高，但随着批量生产和永磁材料价格的进一步下降，它的价格会下降。这类电动机也有它的弱点，由于功
率电源电压的限制，原边绕组的匝数不能超过一定数值。因此，对于电动机，提高旋转频率和不增大电流而提供要求的输出功率很困难。即在高转速下如要提供足够的输出功率就必须增大电流，这就消耗了大量的电能，降低了效率；若不增大电流，则输出功率下降，电动车不能正常运行。本次参展使用永磁同步电动机有代表性的是日本丰田公司的RAV4 EV，使用无刷直流电动机有代表性的是清华大学等研制的电动轻型客车和中科院北京三环公司的电动轿车。它们的性能见附表。RAV4 EV使用了高性能的镍氢电池，其最高时速和续驶里程都较高，已达实用化阶段。清华大学和三环公司的电动车使用铅酸电池，指标也很高。
开关磁阻电机结构简单、紧密、坚固、效率高，低速时可提供很大的转矩，且驱动器结构简单，它曾被专家预测为电动车领域的一匹黑马。它的缺点主要是振动和噪声较大。本次参展使用开关磁阻电机的典型电动车是意大利菲亚特公司的菲亚特500型电动车，其性能见附表。可以看出，在一定功率下，它所能提供的最大转矩较大，即最大转矩与功率之比较大。
可见，电动车使用的各种电动机各有优点，同时又都有其不利的一面，从而使它们并不能完全适合于电动车。因此，继续开发适用于电动车的电动机仍是电机工作者的任务。哈尔滨工业大学研究的多态电机就是这样一种尝试。这是一种融混合式步进电动机和异步电动机的结构于一体的电机，即在传统的混合式步进电动机的转子槽内配置一套笼型绕组，将定子铁心分为两段，两段定子铁心之间放置一个轴向电磁励磁线圈，其余结构与混合式步进电动机相同。低速时，给电机定子绕组按混合式步进电动机方式供电，则电机作为混合式步进电动机运行。高速时，给电机定子绕组按异步电动机方式供电，同时轴向电磁励磁线圈通电产生对磁钢去磁的轴向磁场，使磁钢对电机运行不产生或产生很小的影响，这时电机作为异步电动机运行。这样，这种多态电机同时具有混合式步进电动机低速时高转矩和异步电动机高速时高效率的优点，具有较高的高低速综合性能和较宽的运行速度范围。这次参展的EV96—1型电动轿车就是使用的这种多态电机，目前这种电机仍正在研制中。
3．4驱动方式的发展趋势
传统燃油汽车的驱动系统中包括发动机、减速器和差速器。这是由于内燃机的速度范围窄，必须用减速器来扩大速度范围。使用差速器是便于转向。减速器和差速器为一系列传动齿轮，它们在汽车运行中消耗一部分机械能，使车轮得到的功率不到发动机功率的2/3，大大降低了汽车的效率。由于电动机与发动机的不同特点，电动车可以采用四种驱动方式：与传统燃油汽车相同；省略减速器；进一步省略差速器，电动机同轴驱动车轮，即轴驱；将电动机直接装在车轮内，即轮驱。可以看出。轮式驱动既完全消除了传动中的机械磨损，提高了传动效率，又具有最小的体积、最轻的重量，同时故障率降低。因此，轮式驱动是电动车最佳的驱动方式。国内外对轮式驱动有过一定的研究，如在第26届东京Motor展览会上，东京电力公司推出的IZA型电动车就采用了四轮直接驱动方式，其最高时速为176km/h，1次充电行驶距离为548km(以40km/h恒速)，用的是镍镉电池，它是当时性能最佳的电动车，这无疑与轮式驱动方式有关。本次参展采用轮式驱动的只有两家，即中科院北京三环公司和哈尔滨工业大学的电动车。因为轮式驱动控制方式较为复杂，故需要在控制上多做工作。
4结论
a．作为电动车用电机，直流电动机已逐步被淘汰。
b．异步电动机、交流永磁电动机和开关磁阻电动机都已被用来驱动电动车，它们各有自己的优势，但也都有各自的弱点，并不完全适合于电动车。
c．进一步研究更适合于驱动电动车的电动机是电机工作者的任务。多态电机是一种有前途的电机。
d．轮式驱动是电动车最佳的驱动方式。
㈡ 现在的电动汽车用的主流电机是直流的还是交流的
电动车用的是霍尔电机，类似交流和直流之间，它是靠控制器将电瓶的直流变成交流的脉冲控制旋转的，脉冲信号就类似交流，每一个脉冲旋转一步。频率越快速度越快。
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㈢ 电动汽车电机的发展经历
永磁无刷直流电机
通过改变永磁直流电机的定子和转子的位置，就可以得到永磁无刷直流电机。需注意到是“直流”这个术语会引起误解，因为它并不是指直流电机，实际上它采用交流方波供电，所以也称为永磁无刷方波电机。它最大的优点是无刷，消除了电刷带来的许多问题。而且方波电流方波磁场相互作用可以产生更大的转矩。佛山照明沈大卫教授给的全称就是“永磁无刷方波力矩电机”。
永磁无刷同步电机
用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组，就能去掉传统的电刷、滑环和励磁绕组的铜损，由于采用正弦交流电及无刷结构，又叫永磁无刷交流电机。其优点是高能量密度和高效率，其恒功率区域有更宽的转速范围，并可以以矢量控制方法来满足电动汽车的高性能要求。如南车时代的电机。
异步电机驱动系统
异步电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。
异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，仍然是电动汽车驱动系统的主流产品（尤其在美国），但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。
㈣ 电动汽车电动机的市场情况
我国中小型电机有一定生产规模的企业有300多家，生产的电机产品有300多个系列．近l 500个品种。1997年我国中小型电机产量约为25 288MW，1998年约为42 505MW，1999年约为42 O00MW。电动机出口量约l为7 O00MW。可以看出1998年较1997年电机产量有较大的提高，到I999年电机产量略有下降，企业负债持续攀升．效益不断下滑，行业整体形势有所下降。但随着改革开放的深人，国家宏现政策的调整以及市场需求的推动，我国电机产品由劳动密集型、资源密集型向高附加值和高技术含量的产品转移，出口产品结构也逐步趋向于市场化和台理化。
我国300多个中、小型电机企业大多集中在沿海地区西部地区的企业寥寥无几，在国家开发西部的大好机遇里对电机行业的发展提供了一个发展的机会。另外我国加入WTO后可将国内一部分富裕的电机生产能力转移到国外击，也是发展的一条出路。在国际市场上， 电机是机电产品的重要组成部分之一，每年的贸易额约35亿美元 中、小型电机行业单机出口产品主要为交流电动机、交流发电机及直流电动机。
目前我国常年为出口生产的厂家达40家左右，出口的地区及国家达60多个，主要分布情况是东南亚最多，其次是欧洲及美国、日奉、加拿大等国。据中、小 电机行业近80个企业调查．产品出口产量为1996年3 917．4MW，1 9 9 7年4 6 3 8MW 、1 9 9 8年4456MW。据海关统计：中、小型电机出口量为1996年3 768MW 、1997年4 532~1W、1998年6 721MW 和1999年7 O00MW。中．小型电机出门产量占当午辛年产量的10%左右，大约创汇分别为1．I4亿美元、1．56亿美元、1．85亿美元和2．2亿美元。约占世界贸易额的3%～5%，份额很小。由此可以看到中、小型电机的发展还是有很大发展空间的。据统计，我国电机耗电占全国耗电量的60%以上，其中小型三相异步电机耗电约占35%，所以在我国开发推广高效电机是提高能源利用率的重要措施之一，也符合国际发展趋势。
我国目前已具备了生产高效电机的技术条件，但由于市场条件不够成熟，产量和市场容量都较小。1999年高效电机国内市场占有率仅2%，2000年为4.7%；2001年也只有6.5%，其中70%以上为出口。
㈤ 关于新能源汽车上所用电机
在HEV上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻HEV的总质量。因此，一般电动－发电机只是在HEV发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。电动－发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。电动－发电机还起发电机的作用，电动－发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。电动－发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。在HEV下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。因此，HEV有了电动机的辅助作用，就可以使HEV达到节能和“超低污染”的要求。电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。但HEV所采用的电动机种类少，功率覆盖面也较小。目前主要采用的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机，不管是电机本身还是它们的控制装置，成本都比较高，但随着电动机的电子计算机控制和机电一体化的加速发展，很多新技术正逐步运用到混合动力汽车（HEV）的电动机上，一旦形成大规模批量生产，所用电机乃至整车的成本都会得到大大降低。
（1）混合动力汽车用电动机的发展概况
蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后，19世纪末到20世纪上半叶电机又引起了第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，是生产和消费从工业化向自动化，智能化时代转变；推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。21世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然，汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力，然而，汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。显然，加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业，将会使这两大全球问题继续恶化。于是，电动车（包括纯电动车，混合动力汽车，燃料电池电动车）概念的提出，将会是未来世界汽车工业发展的新方向，不过就当今世界科技水平来说，混合动力汽车的研究与开发相比其它两种形式更具有现实意义，应该作为这一新方向的第一步。20世纪80年代前，几乎所有的电动车驱动电机均为直流电机，但随着电动车（混合动力汽车）性能的提高，其在高负载下转速的限制，体积大等缺点逐渐暴露，取而代之的是交流异步电机，永磁电机，开关磁阻电机以及新型的双凸极永磁电机，而上述电机在用于混合动力汽车上所表现出来的性能也是一个比一个优越。目前，双凸极永磁电机的机理和设计控制理论还有待于进一步的研究与完善，不过它作为混合动力汽车的电动机有着潜在的巨大优势。
（2）混合动力汽车对电动机的基本要求
a.从日本汽车公司开发电动汽车的研究和实践认为，在采用大功率的电动机来驱动HEV时，与采用小功率的电动机比较，具有电阻小，效率高，比能耗低，动力性能好等优点。但在目前的条件下，各种电池的比能量较小，理所当然地采用小功率的电动机，因而出现电阻大，效率低，比能耗高，动力性能差等问题。
b.混合动力汽车的电动机应具有较大范围内的调速性能，能够根据驾驶员对加速踏板和对制动踏板的控制，由中央控制器控制电动机与发动机之间动力的协调。以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，使它们达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制效果。
c.混合动力汽车应具有最优化的能量利用，电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时实现能量回收并反馈回蓄电池，这点在内燃机汽车上是不能实现的。
d.电动机的质量，各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小，因此，大功率的高速电动机具有高性能，质量小等优点，在混合动力汽车得到了广泛地应用。另外，还要求电动机及控制装置在运转时的噪声要低。
e．各种电动机的电压，可以达到120～500V，对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。
除此之外，还要求电动机可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。
（3）混合动力汽车所用电动机的选择策略
在确定混合动力汽车所采用的电动机时，首先应采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的现成的电动机。一般情况下，电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力。在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。有足够的动力性能来克服整车的各种阻力，保证其有良好的起动，加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。现在混合动力汽车上，主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电机的转速可以达到1万～1.2万r/min，在高速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。
（4）双凸极永磁电动机的简介
传统的开关磁阻电机（SRM）虽然可靠性较高，结构十分简单，单位体积功率与异步电动机相当或略高一些，而且在宽广的调速范围内都具有相当高的效率，但是，从能量转换的观点看，SR电机在定子绕组的一个开关周期中，最多只有半个周期得到利用，电机实际运行时，为避免在电感下降区产生制动力矩，绕组电流的关断角不得不较多地提前于最大电感位置，半个周期都未能得到充分利用。因此，SR电机仅获得“一半的利用率”，由此产生了换流问题和相对材料利用率低问题。可以预见，如果能利用定子绕组整个开关周期，在电感下降区也能产生正向转矩，SR电机的单位体积功率必将大大提高，但传统结构的SR电机是难以实现的。如果在SR电机中用永磁材料预先建立一个磁场，通过控制定子绕组的电流方向，使永磁体产生的磁场和绕组电流产生的磁场相互作用，就能实现在电感下降区产生正向转矩的设想。我国稀土材料的储存量为世界第一，钕铁硼等高性能稀土永磁材料在电机领域中已得到广泛应用，大大提高了电机性能，但在SR电机上的实践才刚刚开始。
双凸极永磁电动机(Doubly salient permanent magnet motor,简称DSPM)，是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在90年代刚刚出现的一种新型的机电一体化可控交流调速系统。该系统由双凸极永磁电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成。电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似,呈双凸极结构,但它在转子(或定子)上放有永磁体,从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。DSPM系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大,可实现各种特殊要求的转矩/转速特性,功率因数接近于1,效率高,是电工学科近年来继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向。DSPM电机作为一种应用前景看好的交流调速系统,是由美国著名电机专家T.A.Lipo等人于1992年首先提出的,并进行了初步的理论和实验研究,此后欧美一些国家也相继开展了对DSPM电机及其控制系统的研制工作,目前国际上对DSPM电机的研究仅停留在初步理论和样机实验阶段。关于DSPM电机仍有大量的基础理论问题,包括电机参数计算,模型建立,分析方法,控制策略等有待深入探讨。
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