技术方案多元化是车用驱动电机发展的趋势

技术方案多元化是车用驱动电机发展的必然趋势

高超，王贵明北京中纺锐力机电有限公司

一、世界稀土储量难以支撑以永磁电机为主的车用电机产业化

驱动电机是各种电动汽车中不可缺少的关键零部件，选用合适的驱动电机是提高整车性价比的重要环节。几年来，不少业内专家认为永磁电机具有高功率密度及高效率的优点，加之我国稀土资源优势，制定了“重点发展永磁电机”的政策。但实际上全球的稀土储量相当有限，我国同样如此，稍作分析就可以得出稀土资源不可能支持电动汽车产业发展的结论：如工信部09年出台《稀土工业发展专项规划（2009-2015年）》和《稀土工业产业发展政策》强调，在稀土的开采上，要严格执行指令性计划，2009-2015年中国稀土产量的年增长速度不到10%。而按照电动汽车发展规划，2015年达到百万辆级，2020年达到千万辆级计算，年均增长超过80%。如采用永磁电机为主的技术路线，电动汽车将成为中国稀土的最大用户，对稀土的需求远远超出其供应能力。国外同行在多年前就得出这一结论。

稀土资源的不足首先体现在价格上：今年与上年相比，国内永磁材料已涨价十倍以上，更严重的是这种涨价目前还看不到终点，有的时候甚至出现了拿着钱买不到货的现象。面对严峻的现实唯一的出路是车用驱动电机技术方案多元化，一方面发挥不同技术方案的优势，在不同的场合采用不同种类的驱动电机，另一方面研究无稀土高功率密度及高效率驱动电机，减少对稀土的使用量。日本等国对后面一条已下大力量进行研究，并取得很大进展。

二、几种车用驱动技术方案的优缺点比较

目前国内外车用驱动电机主要采用交流异步电机、永磁电机、永磁磁阻电机和开关磁阻电机的几种技术方案，其优缺点主要是

1.交流异步电机：技术发展最成熟，掌握的人最多，可借鉴和借用的成熟产品最多，给其推广带来很大方便。具有转矩平稳，振动及噪声较低等优点。其缺点主要是异步运行导致转子损耗大、因寄生电感限制了峰值扭矩的提高、相对长的绕组的端部以及励磁损耗引起效率较低、恒功率调速区域不够宽。

2.永磁电机：主要优点是转矩(功率)密度及峰值效率高。通过适宜的绕组结构和控制方式可将转矩脉动降到很低水平。所存在的最大缺点即是所需材料和制造成本较高。此外在高速和轻载时效率较低、受永磁材料温升限制等因素导致环境适应性较差、系统容错性和安全性差（电机或控制器故障时易造成电机突然抱死）、有超速时绕组和功率管过压烧毁的危险。

3.永磁磁阻电机：与前述永磁电机相似，具有较高的转矩(功率)密度，在基速以下具有较高的满载效率，能够通过合理的设计将转矩脉动降低到理想程度。其缺点也与永磁电机类似，并且在恒功率区效率有所降低。

4.开关磁阻电机：主要优点是电机结构简单坚固，成本低，环境适应能力强、通过多变和优化的控制策略能实现宽转速范围和宽高效区、动态响应快、各相独立的绕组和电力电子电路实现了高容错性，可缺相运行，具备“跛行回家”的能力。其主要缺点是转矩脉动较大、噪声较大。

下面给出四种技术方案的比较。

表1四种技术方案的性能比较

性能交流异步永磁电机永磁磁阻开关磁阻峰值效率中优优较优高效区差中中优

恒功率调速范围差差中优

高速能力中中优优

起动及过载能力差中优优

连续运行转矩密度中优优中

转矩脉动与振动优优优差

噪音优优较优较差逆变器伏安需要较差中中优

表2四种技术方案的机械结构与环境适应性比较

特性交流异步永磁电机永磁磁阻开关磁阻电机结构的简单性中差差优

容错性中差差优

耐高温性中差差优

环境适应性中差差优

转矩（功率）密度中优优中

转子转动惯量中中中优

电机可维修性中差差优

系统成本较优差差优

值得指出的是，以上所列优缺点并不是绝对的，实际可通过技术进步和优化设计使某一缺点在相当程度上得到克服。如日本丰田公司已研究出用于Pruis轿车的开关磁阻电机，其效率和转矩（功率）密度均超过原采用的永磁电机。

三、不同类型的电动车辆应各有最适用的电机方案

电动汽车的种类很多，以技术方案分有纯电动、混合动力、和燃料电池车，以大小尺寸分有大客车、中巴车、小轿车、微型车，以档次分有豪华车、中档车、经济车，以用途分会有更多结果。各种车辆的性能指标不同，对驱动电机的要求也不同。因此针对主要应用特点，选择最适合的驱动电机方案无疑是正确的作法。

例如高档轿车对电机体积重量要求高，同时要求低转矩脉动和低噪声，可选用永磁电机。对跑车、概念车及越野车等对加速特性或过载能力要求高，希望有超高速运行能力，应优选开关磁阻电机。对主要用于市区较平坦路况行驶的经济型大众化私家车、邮政车、环保车或观光车等车型等，对电机性能要求不很高，但对低成本要求高，可优先用交流异步电机。而对于采用AMT(自动换挡)的车辆，要求电机转速响应快，采用开关磁阻电机是最佳选择。对于要求较大功率驱动电机的大型车辆，出于成本和性能稳定性的考虑，显然不应选用永磁电机。

正确的驱动电机方案选择不仅将能得到整车的最佳性能价格比，使设计者事半功倍，而且是有效解决稀土资源紧缺的有效途径。

四、结论

技术方案多元化是车用驱动电机发展的必然趋势。