分析 | 电动汽车电机的多种类型

日产电动马达系统。（图片由日产提供）

电动汽车（EV）正在成为内燃机（ICE）车辆的热门绿色替代品，这是100多年来的主要驱动力。EV通过由电池能量供电的电机运行。有各种类型的电机用于电动汽车。本文将介绍发动机罩下，并概述最常用的EV电机类型。

电机类型概述

电动汽车使用能够向车轮提供扭矩的牵引电机。电机大致可分为两种类型：直流电机和交流电机。这两种类型都可用于EV应用。

直流电机坚固耐用，易于控制。它们可以作为拉丝和无刷直流电机。刷直流电机是一种成熟的技术，提供低成本、高扭矩和轻松的速度控制。这些功能对于牵引电机非常重要。然而，刷直流电机在电动汽车中应用并不广泛，因为它们的缺点是体积大、效率低，并且由于刷和收集器结构而需要频繁维护。无刷直流电机的效率要高得多。这些电机使用电子换向器/逆变器代替刷子。

与直流电机相比，交流电机的优点是效率高、维护少、可靠性更高、再生能力强，使制动能量能够返回电池。

EV电机应具有哪些功能？

EV的电机和电子效率直接影响电池重量，因为断电需要补偿。效率降低1%时，电池的功率需要增加1%（这意味着电池更多）。EV的性能直接取决于电机规格。电机的性能由牵引电机的扭矩速度和功率速度特性决定。

图1：扭矩/功率 = 速度牵引电机特性。

坡度能力和最大速度是这些曲线中的重要参数。所需的电机级能力要求在低速时实现高扭矩，从而实现正确的起动和加速。EV电机需要在高速下具有高功率，在恒定功率区域中具有宽速度范围，如图1所示。恒定扭矩工作区域在低速下非常重要，可提供良好的启动和上山驱动。恒定功率区域确定平面上的最大EV速度。

当达到基本转速时，电机达到其额定功率限制，电机扭矩与速度的平方成正比地降低。恒定功率区域从基本转速到最大电机转速的范围内开始超出基本速度。此范围在不同的电机类型中是不同的，在选择正确的EV电机类型时，它是一个重要的参数。此外，还可以使用相应的控制驱动器调整电机操作范围。

选择EV电机的正确输出特性是一项挑战，因为有必要在恒定功率区域中找到加速度性能和宽速度范围之间的平衡。增加恒定功率区域时，对加速度性能的功率要求会降低。扭矩要求增加，影响电机尺寸和最终价格。

以下是我们在EV电机中想要的功能：

高效
高即时功率
快速扭矩响应
高功率密度
低成本
高加速度
鲁棒性

现在，我们将了解这些功能在以下电机类型中是如何堆积起来的：

直流电动机
永磁无刷直流电机（PM BLDC）
感应电机
永磁电机
开关不和电机（SRM）

直流电动机

DC电机在电动汽车中最大的优点是坚固的构造和简单的控制。直流电机具有适当的扭矩速度特性，在低速时提供高扭矩。其主要缺点是尺寸大、效率低、可靠性低、维护性高，以及由于刷子和收集器之间的摩擦而速度有限。有两种直流电机类型：无刷和拉丝直流电机。后者由于电力电子技术的进步而日益受到压制。

永磁无刷直流电机（PM BLDC）

PM BLDC电机使用永磁体而不是转子绕组。由于它们不包括转子损耗，因此其效率高于电感电机。PM BLDC电机具有短的恒定功率运行区域，因为它们的永磁场被定子场削弱。由于EV需要更宽的恒定功率区域，因此可以使用传导角度控制来扩展，其中速度范围可能达到基本速度的三到四倍。

永磁体还限制电机扭矩高。磁体受到高温的显著影响，降低了残余通量密度，从而降低了电机扭矩能力。机械力和磁铁价格是这类电机的最大缺点。电机转速越高，自心力增加，可能会由于磁铁可能断裂而造成安全问题。

感应电机（IM）

这种电机类型在电动汽车中非常常见，因为它结构简单，可靠性高，鲁棒性强，维护简单，成本低，在不同环境条件下运行。如果逆变器故障，IM可以自然去兴奋，这是EV的一个重要安全优势。IMs面向现场的矢量控制是工业标准化的。

IM的缺点是效率略低（与PM电机相比）、功率损耗较高（由于保持架损耗而增加）和相对较低的功率因数。磁通量的弱化可用于扩展恒定功率工作区域中的速度范围。也可以使用双逆变器扩展该区域。通过仔细的电机设计，还可以减少转子损耗。

图2：感应电机的构造。（图片由东方电机提供）

永磁同步电机（PMSM）

PMSM与BLDC类似，转子中具有永磁体。与具有梯形反向电动力（EMF）波形的 BLDC电机不同，PMSM具有正弦背EMF。它们结构简单、效率高、功率密度高，因此适合用作牵引电机（在混合动力车辆、电动汽车和公共汽车中很常见）。

PMSM电机的效率高于IMs。这种类型的缺点是成本高，高速在PM中涡流损失，以及由于磁铁可能断裂而带来的可靠性风险。

PMSM电机有两种：表面安装永磁体（SPM）和内部永磁体（IPM）同步电机驱动器。IPM电机的性能优于SPM，但缺点是其复杂的设计。

开关不和电机（SRM）

SRM的好处是其高扭矩组件，使其适用于许多应用，如风能、燃气轮机发动机中的发电机起动系统以及高性能航空航天应用。此外，其在电动汽车方面的优势包括其鲁棒性、简单控制、高效率、宽常数功率运行区域、容错性和有效的扭矩速度特性。由于它们不包含刷子、收集器或磁铁，因此SRM的维护非常简单有效，而且价格非常具有竞争力。

缺少磁铁消除了机械力问题，使电机能够高速运行。由于未使用电机绕组，转子中没有铜损耗，确保转子温度低于其他电机类型。由于相位未连接，因此即使其中一个相位断开，SRM电机也可以继续运行。SRM转子的惯性低于其他电机类型。这种电机类型的缺点是增加了振动和声学噪音。此外，突出极转子和定子结构会导致高扭矩纹波。高转子电感比允许无传感器控制。

正确的电机设计可实现宽恒定功率运行区域，进而允许高速运行。SM具有适合EV应用的扭矩/功率速度特性。

比较与评价

Dorrell等人评估了IPM、IM和SRM电机，并比较了它们在转速为1500rpm和6000rpm时的最大功率。考虑的参数包括扭矩、铁损耗、铜损耗、效率和电流密度。

对于1500rpm的情况IPM和IM的扭矩高于SRM。IM的铜损失较高。表明IPM的效率最高（91.3%）。

在6000rpm时，SRM提供最高的扭矩值。IPM的效率再次最高，在更高的速度下更高（SRM 96.1%，IM 95.2%，SRM 88.2%）。

Mounir等人通过比较EV应用中的功率密度、效率、可控性、可靠性和价格，分析了直流、IM、PM和SRM类型。

明显的是，IM电机类型具有适合电动汽车的所有特性。在此应用程序中，安全是最重要的考虑因素之一，SRM和IM类型提供驾驶安全性。但是，IM的额定速度相对较低。PM在低速区域具有较高的功率因数和效率。

SRM类型不使用刷子收集器和磁铁，因此维护要求更少。此类型还具有低于其他类型的功率损耗。这是因为短的绕组末端及其总长度。转子不含转子温度低、易于冷却的导体，这是SRM型电机的主要优点之一。SRM在宽恒定功率区域以高速运行，并允许极高速运行。除此之外，电机重量轻，竞争激烈，效率高。如果考虑了所有特性，则SRM是最适合EV的电机类型。

即使功率密度和效率相对较高，BLDC电机也并不常用在EV应用中，这主要是因为其恒定功率范围有限。

热门电动汽车使用的电机类型

特斯拉型号S和型号X使用传统的AM。型号3在子启动器中使用带内部永磁体的 SRM，称为内部永磁体开关磁阻电机（IPM-SRM）。特斯拉还推出了双电机版本- 型号3使用前面的IM和背面的IPM-SRM。模型S和型号X的情况正好相反。

GM雪佛兰螺栓使用PMSM，磁体放置在转子内。这种电机类型也用于丰田普锐斯，日产Leaf和宝马i3。

每个制造商都利用他们的方法和技术，使其推进尽可能高效，并生产许多品种相同的电机类型。