文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

电机作为电动汽车的核心部件，其性能直接影响到电动汽车的性能和安全。近年来，随着新能源汽车产业的迅速发展，我国对电机技术的要求也越来越高，但同时也存在一些问题。

随着国家对电动汽车的政策扶持力度加大，车用电机行业迎来了良好的发展机遇。本文从电机类型、控制方式、驱动电机特性等方面对电动汽车用电机技术进行了深入研究，并对未来车用电机技术发展趋势进行了分析，以期为相关研究提供参考。

电动汽车车用电机的原理

电动汽车用电机分为直流电机和交流电机。直流电机由电枢、转子和换向器构成，交流电机由定子和转子组成。直流电机结构简单，性能优良，但需通过换向器实现换向，换向器的机械结构会影响电机的性能。

交流电机结构简单，但功率密度小，功率密度与效率成正比。因此，在电动汽车用驱动电机领域，交流电机将逐渐取代直流电机。随着电力电子技术的不断发展，直流电动机已经进入到电动汽车领域。

为了满足电动汽车的运行需求，目前大多采用永磁同步电动机作为驱动电动机。永磁同步电动机具有体积小、质量轻、效率高等特点，同时也具有启动转矩大、调速范围宽等优点。目前主要有两种结构形式：无刷直流电动机和有刷直流电动机。

无刷直流电动机:无刷直流电动机是由定子、转子、电枢绕组三部分构成。无刷直流电动机的转子上有一个电枢绕组，通过逆时针方向旋转来改变转子上的磁极方向。

电枢绕组的两端分别接有电机的定子和转子，定子绕组通电后，转子被激励磁场所驱动而转动。根据电机的结构，通常将无刷直流电动机分为三种类型：同步电机、异步电机和感应电机。

无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高、调速范围宽等优点，但由于其电枢绕组是采用碳刷进行换向，存在电刷和换向器的问题，因此，其在运行过程中会产生火花和粉尘污染等问题。

此外，无刷直流电动机由于转子上没有刷，因此换向时不存在摩擦阻力，但是在运行过程中会产生噪声。因此，无刷直流电动机一般用于要求转速较低、体积较小的场合。在电动汽车上应用的无刷直流电动机一般为永磁无刷直流电动机。

有刷直流电动机:有刷直流电动机是目前最常用的驱动电动机。电动汽车用有刷直流电动机是一种复杂的机电一体化装置，需要在电动机转子上加装电刷，电刷与换向器之间通过换向来实现机械换向。

电动汽车用有刷直流电动机是以直流电为能源，通过控制换向器上的电刷的位置，使得转子绕组中流过直流电流的方向发生变化，从而使直流电机的电枢绕组产生相应的机械转动。电动汽车用有刷直流电动机主要由电枢、换向器、转子、控制电路组成。

在电动汽车运行时，由电流产生的磁场控制电枢绕组中流过的电流方向，使得直流电动机转子产生旋转运动。电动汽车用有刷直流电动机一般工作在较高频率下，因此其电磁噪声较大。

电机效率与性能参数

电动汽车的主要能耗来自于电机，而电机的性能决定着整车的性能。因此，如何提高电机效率与性能，是电动汽车研发过程中必须要解决的问题。

在电动汽车中，驱动电机主要是实现能量的转换和驱动车辆前进，对其效率和性能有很高的要求。传统内燃机在工作过程中，其机械摩擦损耗是主要的损失项，而电动机在运行过程中主要是电损耗和机械损耗。

电动汽车上使用的驱动电机一般采用稀土永磁材料制造，其性能参数主要包括额定功率、额定转矩、最高转速、最大转矩密度等。

与传统内燃机相比，电动汽车电机在结构上需要考虑更多因素。电动汽车电机主要有三相交流异步电动机、直流无刷永磁同步电动机和永磁同步感应电动机3种类型。

交流异步电机结构简单、制造成本低、可靠性高，是电动汽车主要采用的驱动电机类型。但其转矩脉动大，导致转矩波动明显；此外，在低速运行时也存在着机械损耗较大的问题，对整车性能产生不利影响。

直流无刷永磁同步电机结构简单、体积小、效率高、重量轻，但是其功率密度较小；同时由于采用了换向器结构，导致电机功率因数低，不适合作为驱动电机使用。

永磁同步感应电动机结构简单、制造成本低、可靠性高，但其功率密度较小；永磁同步交流异步电动机结构简单，但其功率因数较低。

永磁同步感应电动机与交流异步电动机的区别在于其定子采用了永磁材料和绕组方式不同。永磁同步感应电动机是在励磁电流作用下通过定子磁场切割磁力线产生转矩的电机类型，其转子由定子和转子两部分组成，

定子部分为硅钢片构成的硅钢片叠成的气隙磁场；转子部分为励磁电流产生的磁场。相比交流异步电动机，永磁同步电机在运行过程中无需励磁电流产生磁场；而相对于交流异步电动机来说，其运行过程中需产生励磁电流产生磁场。

永磁同步感应电动机和直流无刷永磁同步感应电动机相比具有结构简单、制造成本低和可靠性高等优点。但是由于其主要以直流电源供电，所以其运行效率较低。

随着新能源汽车行业的发展及对电机效率要求的不断提高，永磁同步感应电动机将会成为未来电机行业发展的主流产品。

在电动汽车用驱动电机中，不同类型驱动电机在结构上存在较大差异。因此要根据不同用途确定电动汽车用驱动电机的不同类型及结构特点。

如：纯电动汽车用驱动电机一般采用无刷永磁同步电动机（BLDCM）；混合动力汽车用驱动电机一般采用无刷直流永磁同步电动机（BLDCM）；增程式电动汽车用驱动电机一般采用 BLDCM或三相永磁同步电动机（NEMA）等。

在不同类型驱动电机中，又分为方块式、扇形绕组式、多相绕组式和笼型感应电动机等。不同结构形式的驱动电机具有不同的结构特点和性能特点。其中，方块式结构驱动电机具有转矩脉动小、重量轻、成本低等优点；扇形绕组结构驱动电机具有转矩密度大、效率高等优点；多相绕组结构驱动电机具有转矩波动小、效率高等优点。

同时，电动汽车用驱动电机还需根据实际使用要求选择合适的性能参数。如：在纯电动汽车上由于整车功率密度低而要求转矩密度高的情况下，就要选择具有更大转矩密度和更高转矩比的永磁同步电动机。

电机控制策略

在电动汽车驱动系统中，控制策略是电机控制的核心，其在很大程度上决定了电机控制的性能。目前，国内外学者针对电机控制策略的研究主要集中在两个方面：一是基于模型的控制策略，二是基于智能算法的控制策略。

1.基于模型的控制策略：在传统汽车中，驱动系统所采用的是以机械轴为核心的机械传动系统。

为了提高驱动电机在高速运行时的效率，需要对驱动电机进行精确建模，并根据该模型建立相应的数学模型。

在建立数学模型时，需要根据电机特性、车辆运行情况、路面状况等进行建模，同时考虑到不同工况下，车辆所产生的转矩、电流等参数是变化的，

因此需要根据这些参数进行相应建模。目前，基于电机数学模型的控制策略主要有矢量控制（VM）、直接转矩控制（DTC）和最大转矩电流比（MTPA）等。

2.基于智能算法的控制策略：智能算法是指将一些先进的人工智能技术应用于电机驱动系统中，以实现对电机运行状态的优化。

目前，智能算法在电动汽车驱动系统中主要包括神经网络（NN）、遗传算法（GA）、粒子群优化（PSO）和模糊逻辑（FLL）等。其中，遗传算法是一种模拟生物进化机制来优化搜索性能和解决复杂问题的方法，在电机驱动系统中可以将其应用于电机电流矢量空间中。

在遗传算法中，通过对进化代数进行优化来实现最优解搜索，以获得全局最优解。遗传算法虽然能够有效地提高电机运行效率和转矩输出性能，但其存在收敛速度慢、不能动态适应等缺点。

因此，研究者们对遗传算法进行了改进，例如提出了一种基于差分进化（DE）算法的遗传优化控制策略。该方法能够以较快速度收敛到全局最优解附近，具有很强的鲁棒性。

电机的发展趋势

随着电动汽车行业的快速发展，车用电机技术也在不断更新和完善。在电机本体方面，高效低成本、高性能是未来车用电机发展的主要方向。

同时，由于电动汽车对电机的效率和功率密度要求越来越高，车用电机的功率密度也在不断提升。在控制系统方面，先进的控制算法和控制策略是未来车用电机控制发展的重要方向。

此外，随着新能源汽车对续航里程和加速性能要求越来越高，未来车用电机将朝着轻量化、高功率密度、长寿命和低成本等方向发展。

总体来看，未来车用电机将朝着多功能化、集成化、智能化方向发展。此外，由于新能源汽车的核心是动力系统，而动力系统是由电机、电池和电控系统组成的，因此未来车用电机在满足基本功能的同时也将朝着集成化、智能化方向发展。

笔者观点

在电机类型方面，永磁同步电机将继续保持高功率密度，高性能和高可靠性的特点。由于永磁同步电机功率密度高，所以更适合于大功率应用场合。

由于永磁同步电机存在着转矩脉动大、温度特性差的缺点，所以在大功率应用场合会受到一定限制，但由于其体积小、质量轻、效率高，因此其在小型电动汽车上有很大的应用潜力。

此外，由于永磁同步电机在转速控制方面存在着控制精度和速度响应慢的问题，所以在小功率应用场合下可以采用电驱混合驱动系统。此外，随着智能化的发展，人们对智能控制的要求越来越高，因此未来智能电机将会有很大的发展空间。

参考文献

1、刘建波，王博。新能源汽车驱动电机系统研究进展与展望[J]。电机学报，2018。

2、张立群，李林兴。交流永磁同步电机的非线性分析及设计方法研究[J]。电机学报，2019。

3、王鹏。基于最优控制的永磁同步电机运行特性分析与设计方法研究[J]。驱动与控制，2019。

4、蔡景荣。新能源汽车用永磁同步电机控制策略研究与实现[J]。电机工程，2020。

5、张卫红。电动汽车驱动电机永磁同步电机的设计与优化。上海交通大学学报，2020。