新能源汽車驅動電機關鍵技術
雷洪鈞
V2/13/24
1. 引言
1.1 新能源汽車的發展背景和意義
新能源汽車的發展背景是由于傳統燃油汽車所帶來的能源危機和環境污染問題與日俱增。随着全球能源消耗的增加和化石能源儲量的逐漸枯竭，傳統燃油汽車所依賴的石油資源面臨嚴重短缺的問題。同時，燃燒石油産生的尾氣排放物，如二氧化碳和一氧化碳等，對大氣和環境造成了嚴重的污染。
圖1 二氧化碳和一氧化碳示意圖
新能源汽車是應對能源危機和環境污染問題的重要解決方案之一。其采用清潔能源（如電能、氫能等）作為動力源，具有零排放、低噪音、節能環保等優勢，能夠有效減少對傳統石油能源的依賴，減少尾氣排放，降低空氣和噪音污染。
圖2 電能、氫能示意圖
新能源汽車的發展具有重要意義。
| 首先，新能源汽車利用清潔能源作為動力源，降低了對傳統石油能源的依賴，減少了石油的消耗量，緩解了能源供需緊張的問題。 |
| 其次，新能源汽車零排放、低噪音，能夠減少尾氣排放，改善空氣品質，保護生态環境，降低對環境的影響。 |
| 再次，新能源汽車具有節能環保的特點，能夠提高能源利用效率，減少能源浪費，有助于實作可持續發展。 |
1.2 驅動電機作為新能源汽車的核心技術
驅動電機是新能源汽車的核心動力裝置，負責将電能轉化為機械能，驅動車輛行駛。驅動電機的性能和效率直接影響到新能源汽車的續航裡程、加速性能和運作穩定性，是以，驅動電機的發展與創新對于新能源汽車的發展至關重要。
驅動電機作為新能源汽車的核心技術之一，主要包括：
表1 驅動電機關鍵技術要點
| 1 | 高效能性能 | 指在相同能源消耗下，能夠實作更高的性能表現，提高能源使用率。 |
| 2 | 高速度特性 | 快速響應和處理資料的能力，包括高速資料傳輸、高頻率運算等。 |
| 3 | 高功率密度 | 在有限空間内提供更大功率輸出，實作更高的能量密度。 |
| 44 | 高可靠性 | 提供穩定的性能和可靠的工作狀态，具備長時間無故障運作的能力。 |
| 5 | 安全性 | 包括資料安全、防止故障和事故的發生、防護系統的安全等方面的技術保障。 |
| 6 | 高度內建 | 實作多個功能子產品的高度整合，減少器件體積、功耗和複雜度。 |
| 7 | 智能化 | 運用人工智能、機器學習等技術，提高系統智能化程度和自主決策能力。 |
新能源汽車領域的技術創新和發展趨勢包括電池技術的進步、電機控制算法的優化、材料和結構創新以及智能化和互聯技術的應用等方面。
同時，驅動電機技術也面臨着高溫環境下的散熱問題、電機效率和功率密度平衡、材料可靠性和成本等挑戰。進一步研究和創新驅動電機技術對新能源汽車的發展起到關鍵作用。
2. 驅動電機類型
2.1 直流電機
直流電機是一種将直流電能轉化為機械能的電動機。它由勵磁部分和轉動部分組成，通過施加電流來激勵勵磁部分，産生磁場驅動轉動部分。直流電機在新能源汽車中被廣泛應用，因為它們具有結構簡單、工作穩定和容易控制的特點。另外，直流電機在續航裡程和加速性能方面表現優秀。
圖3 直流電機
2.2 交流電機
交流電機是利用交流電源供電，并通過電磁感應原理将電能轉換為機械能的電機。它由定子和轉子兩個部分組成。定子是由電磁鐵和繞有繞組的鐵芯組成，而轉子則是由磁性材料制成。
相較于直流電機，交流電機具有一些優勢。
| 首先，交流電機的轉矩特性更适合汽車的實際使用需求，能夠在低速和高速下都提供較大的轉矩輸出。 |
| 其次，交流電機的效率相對較高，能夠将電能轉化為機械能的效率更高，提高了汽車的續航裡程。 |
| 此外，交流電機還具有體積小、功率密度高、噪音低等優點。 |
圖5 交流電機
在新能源汽車中，交流電機的應用越來越廣泛。電動汽車、混合動力汽車等都采用了交流電機作為驅動力。随着電動汽車市場的發展，交流電機的研發和應用也在不斷創新。例如，采用了無刷交流電機技術，在提高電機效率的同時還減少了維護成本。
2.3 永磁同步電機
永磁同步電機的勵磁源采用永磁體，是以不需要外部勵磁電源注：勵磁電源，也稱為激勵電源，是為了給某些裝置或系統提供外部電場、磁場或電流而設計的電源裝置。
圖6 永磁同步電機
總的來說，永磁同步電機在新能源汽車領域具有重要的地位和應用前景。其高效率、高功率密度和高轉速範圍的特點使其成為電動汽車領域的關鍵技術之一，2.4 開關磁阻電機
在開關磁阻電機中，定子繞組通過交流電源或者直流電源供電，定子線圈内産生磁場。轉子是由可移動的磁阻材料制成，當定子線圈的磁場改變時，轉子的位置也發生改變。通過改變電流的方向和大小，可以調整定子線圈的磁場，進而控制轉子的位置和轉矩。由于采用了磁阻材料作為轉子的核心部件，相比傳統的電動機，其品質更輕，功率密度更高，适用于對于高功率密度和輕量化要求較高的應用，如新能源汽車。
圖7 開關磁阻電機
開關磁阻電機的控制裝置通常采用運動控制系統來實作。通過精确控制電流的大小和方向，可以達到精确控制轉子位置和轉矩的目的。開關磁阻電機的控制系統還可以通過調整電流的波形和頻率來實作不同運動狀态和速度的控制。
圖8 開關磁阻電機的控制裝置
3. 關鍵技術要點
3.1 高效能性能
3.1.1 提高電機效率：
電機效率的提高可以通過以下幾種方法來實作：
| 1. 優化電機結構：通過改進電機的設計群組裝方式，減少電機内部磁阻和不必要的損耗。例如，改進磁路結構，減少磁阻；優化轉子結構，減少轉子損耗；改善定子繞組的布置，減少電流損耗等。 |
| 2. 使用高效電機材料：選擇高導磁性、低電阻的材料，減小電機内部的銅損耗和渦流損耗。比如，使用高導磁性的矽鋼片來制作電機的鐵心，減少磁滞損耗；使用高導電性的銅材料來制作電機的繞組，減少電阻損耗等。 |
| 3. 優化電機控制系統：使用先進的電機控制算法，根據實際負載需求調整電機的工作狀态，以最大限度地提高電機的效率。例如，使用矢量控制算法來控制電機的轉子磁場，減少磁阻損耗；采用節能型的調速控制政策，根據負載的變化實時調整電機的轉速和功率輸出等。 |
| 4. 定期維護和保養：定期對電機進行清潔、檢查和維護，確定電機的各個部件正常運作，以減少不必要的能量損耗。 |
圖9 優化電機結構和材料
3.1.2 減少電機的損耗和能量消耗：
可以考慮以下方法來進一步提高電機的能量使用率：
| 1. 優化電機冷卻系統：通過改進散熱器、冷卻風扇或液冷系統等，提高電機的散熱效率，減少溫升，降低額定功率時的損耗。 |
| 2. 應用變頻器調速：将傳統正常轉速調節方式替換為變頻器調速，可以根據實際負載需求靈活調節電機轉速和功率輸出，避免過大的轉速調節産生的額外損耗。 |
| 3. 使用高效驅動系統：采用高效的電機驅動器，如無傳感器矢量控制技術和直接轉矩控制技術等，可以提高電機的響應速度和轉換效率。 |
| 4. 運作電機在最佳工作點：通過實時監測負載需求，調整電機工作點使其運作在最高效的工作區域，避免低效工作和過載運作。 |
| 5. 在電機非工作時采取節能措施：例如，在電機停機或負載較輕時，及時關閉電機或降低電機的工作頻率，以降低能源消耗。 |
3.2 高速度特性
3.2.1 提高電機的轉速範圍和極限速度：
要提高電機的轉速範圍和極限速度，可以考慮以下方法：
| 1. 優化電機的結構設計：通過改進電機的轉子和定子結構，減小電機的品質和阻力，提高電機的轉動效率和響應速度。 |
| 2. 提高電機的轉矩和轉速性能：通過使用高性能的磁鐵材料，如永磁材料或稀土磁體材料，提高電機的輸出轉矩和轉速能力。同時，采用先進的電機控制算法和調速技術，實作電機的高效率和高精度的控制。 |
| 3. 優化電機的冷卻系統：改進電機的散熱系統，提高電機的散熱能力，增加電機的長時間高負載運作能力，延長電機的使用壽命。 |
| 4. 使用高效的電機控制系統：采用先進的電機控制系統，如無感矢量控制系統、直接轉矩控制系統等，提高電機的控制精度和響應速度，實作更高速度和更寬轉速範圍的運作。 |
| 5. 結合其他技術手段：可以使用多電機驅動技術，在車輛的不同輪子上分别安裝電機，提高車輛的整體動力性能，實作更高速的行駛。 |
3.2.2 減小電機的機械振動和噪音：
減小電機的機械振動和噪音，可以采取以下措施：
| 1.改善電機的結構設計：通過優化電機的内部結構和減小零部件之間的間隙，可以減少機械振動和共振現象，降低振動和噪音水準。 |
| 2.提升電機的平衡性能：通過精确加工和比對平衡品質，提高電機的平衡性能，減小振動和噪音産生的可能性。 |
| 3.優化電機的轉子和定子配合：通過優化電機的轉子和定子的配合關系，減少摩擦和振動，降低噪音和振動的産生。 |
| 4.采用減振材料和結構：在電機的外部、内部或連接配接部分使用減振材料，如橡膠墊片、減振螺栓等，可以有效阻尼振動和減小噪音。 |
|
3.3 高功率密度
3.3.1 提高電機的功率輸出能力：
要減小電機的機械振動和噪音，可以采取以下措施：
| 1.改善電機的結構設計：優化電機的内部結構，減小零部件之間的間隙，以減少機械振動和共振現象，進而降低振動和噪音水準。 |
| 2.提高電機的平衡性能：通過精确加工和進行平衡校正，提高電機的轉子和定子的配平衡品質，減小不平衡振動，降低噪音和振動水準。 |
| 3.優化電機的軸承設計：選用高精度、低摩擦、低噪音的軸承，減小電機運轉時的摩擦和振動。 |
| 4.使用減振材料和結構設計：在電機外部、内部或連接配接部分使用減振材料、減振墊片、減振螺栓等，有效阻尼振動和減小噪音。 |
| 5.改進電機的冷卻系統：優化電機的冷卻系統，提高散熱能力，避免電機過熱，減輕振動和噪音的産生。 |
通過以上措施，可以減小電機的機械振動和噪音水準，提升電機的運作穩定性和工作效率。
3.3.2 減小電機的體積和重量：
3.3.2 減小電機的體積和重量：
采用高效輕量化材料，優化電機結構，降低電機的體積和重量。這可以通過以下方式實作：
|
| 2. 優化電機結構：通過改進電機的設計和結構，減少不必要的部件和材料的使用。例如，采用內建式設計，将不同的部件內建到一個單一的元件中，以減少元件數量和整體體積。 |
| 3. 采用高效磁場設計：優化電機的磁場結構，提高磁場密度，可以在相同功率輸出的情況下減小磁鐵的體積和重量。 |
| 4. 使用高效散熱技術：通過改善電機的散熱系統，提高散熱效率，可以減小散熱器的尺寸和重量，進而降低整個電機的體積和重量。 |
3.4 高可靠性和安全性
3.4.1 提高電機的整體結構和材料的可靠性：
以下是一些具體措施：
| 1. 結構設計優化：進行結構模拟和優化，以降低電機在運作過程中的應力和振動。采用更堅固的連接配接件和支撐結構，增加電機的整體穩定性。 |
| 2. 選用高可靠性材料：選擇具有較高強度和耐腐蝕性能的材料，以減少材料的老化和失效。同時，要考慮材料的導熱性和絕緣性能，以確定電機在高溫或潮濕環境下的可靠運作。 |
| 3. 加強絕緣保護：在電機内部采用高品質的絕緣材料，以防止電氣擊穿和絕緣老化。此外，還可以增加外部保護措施，如防塵罩、防水罩等，以提高電機的耐用性。 |
| 4. 嚴格的品質控制：應建立嚴格的品質控制體系，確定原材料和制造過程的品質符合标準要求。每個電機都應進行嚴格的測試和檢驗，包括電氣性能、機械性能和耐久性測試等。 |
通過以上措施的實施，可以提高電機的整體結構和材料的可靠性，延長電機的使用壽命，減少故障率，提高電機的可靠性和穩定性。這對于各種應用場景，特别是對于關鍵裝置和系統來說，非常重要。
3.4.2 提供電機過熱保護和電路保護功能：
為了提供電機過熱保護和電路保護功能，可以采取以下措施：
| 1. 安裝溫度傳感器：将溫度傳感器安裝在電機的關鍵部位，如電機繞組和軸承等位置，用于實時監測電機的溫度變化。當溫度超過設定的安全門檻值時，傳感器會發出警報信号或觸發相應的保護措施。 |
| 2. 安裝電路保護裝置：電路保護裝置可以監測電路中的電壓、電流和功率等參數，一旦出現異常情況，如電流過載、短路或欠壓等，保護裝置可以立即切斷電源，以避免電機過熱或電路故障引發更嚴重的問題。 |
| 3. 及時檢測和報警：通過溫度傳感器和電路保護裝置的監測與回報，及時檢測到電機過熱和電路故障問題，并發出警報信号，提醒操作人員進行處理和維修。 |
| 4. 檢修和維護：定期對電機進行檢修和維護，包括清潔電機内部和外部的積塵，檢查電機線路的接觸是否良好，確定各部件正常運作，以減少電機過熱和故障的發生。 |
通過以上措施的組合應用，能夠有效地提供電機過熱保護和電路保護功能，保證電機的安全運作和延長電機的使用壽命。
3.4.3 減小電機故障和損壞的風險：
為了減小電機故障和損壞的風險，可以給出以下建議：
| 1. 定期維護保養：按照電機制造商的要求，定期對電機進行維護保養，包括清潔電機外殼、緊固螺栓，檢查電機軸承的潤滑情況，排除電機内部的積塵等。 |
| 2. 定期檢查電機線路：定期檢查電機的電源線路和控制線路是否正常，包括檢查電纜連接配接是否松動，電機繞組是否存在損壞或斷線等。 |
| 3. 安裝過載保護裝置：根據電機的額定功率和使用環境，安裝适當的過載保護裝置，當電機超出額定負載時，能及時切斷電源，避免電機過熱和損壞。 |
| 4. 使用電壓穩定器：若使用的電源電壓波動較大，可以考慮安裝電壓穩定器來保護電機，穩定供電，避免電機因電壓波動而受損。 |
| 5. 進行定期故障診斷：定期使用合适的裝置和方法對電機進行故障診斷，及時發現并解決電機問題，防止問題進一步擴大。 |
通過加強電機的維護保養和故障診斷，我們能夠提早發現并解決電機問題，降低電機故障和損壞的風險。這将有助于提高電機的可靠性和使用壽命，保障裝置的正常運作。
3.5 高度內建和智能化
3.5.1 提供電機的自動化控制和調節功能：
| 1. 定期維護保養：非常重要的一點是定期進行維護保養，以確定電機的正常運作。這包括清潔電機外殼、檢查和潤滑軸承等。 |
| 2. 定期檢查電機線路：檢查電機的電線路和控制線路是否正常是必要的。松動的連接配接和損壞的線路可能導緻電機故障和損壞。 |
| 3. 安裝過載保護裝置：安裝适當的過載保護裝置可以在電機超載時切斷電源，防止電機過熱和損壞。 |
| 4. 使用電壓穩定器：電壓的不穩定性可能會對電機造成損害。安裝電壓穩定器可以保護電機免受電壓波動的影響。 |
| 5. 定期故障診斷：定期進行故障診斷是檢測和解決潛在問題的有效方法。這可以幫助提早發現電機問題并采取适當的措施。 |
3.5.2 實作電機與車輛系統的無縫內建：
通過将電機與其他系統如動力電池、電控系統等進行無縫內建，可以進一步提高整車的綜合性能和駕駛體驗。
在實作無縫內建時，需要確定電機與其他系統之間的協調和通信。這可以通過制定一緻的通信協定和接口标準來實作。同時，采用先進的傳感器技術和智能控制算法可以實作對電機的精準調節和控制，以提供最佳的駕駛性能和能源效率。
4、發展趨勢和挑戰
4.1新能源汽車領域的技術創新和發展趨勢：
| 1. 電池技術的進步：電池是新能源汽車的核心元件，随着科技的不斷進步，新能源汽車使用的電池容量和續航裡程逐漸增加，充電速度也越來越快。同時，電池的壽命也在不斷延長，降低了使用者的使用成本。 |
| 2. 電機控制算法的優化：電機是新能源汽車的動力源，電機控制算法的優化可以提高電機的效率和功率輸出，進而提高整車的性能和駕駛體驗。同時，優化控制算法還可以降低能耗，延長電池的續航裡程。 |
| 3. 電機材料和結構的創新：通過使用新的電機材料和結構設計，可以提高電機的功率密度和效率，減小體積和重量。例如，采用新型材料的電機可以在相同體積下提供更大的功率輸出，同時減少能量損耗。 |
| 4. 智能化和互聯技術的應用：智能化和互聯技術的應用可以實作新能源汽車的智能駕駛、智能充電和智能管理等功能。例如，通過車聯網技術，駕駛者可以遠端控制車輛的充電狀态和導航路線，提高車輛的使用便利性和安全性，提升使用者體驗。 |
| 5. 能源管理和回收技術的創新：能源管理和回收技術是新能源汽車的關鍵技術之一，通過創新的能源管理和回收系統，可以有效利用和儲存車輛的能量，提高能源使用率。同時，回收系統可以将制動能量和廢熱能轉化為電能，延長電池的續航裡程，減少能源的浪費。 |
4.2 驅動電機技術面臨的挑戰和難題：
驅動電機技術面臨的挑戰和難題主要包括以下幾個方面：
| 1. 高溫環境下的散熱問題：驅動電機在運作過程中會産生大量的熱量，特别是在高負載、高轉速運作時，對散熱要求較高。是以，如何有效地解決電機在高溫環境下的散熱問題是一個挑戰。 |
| 2. 電機效率和功率密度的平衡：提高電機的效率可以減少能源的消耗，同時提高功率密度可以使電機在有限空間内提供更大的輸出功率。然而，提高效率和功率密度往往是互相沖突的，需要在設計與優化過程中進行權衡。 |
| 3. 電機材料的可靠性和成本：電機材料的選擇對電機的性能和可靠性具有重要影響，如電磁材料、絕緣材料、軸承材料等。同時，電機材料的成本也是一個考慮因素，如何在尋找高性能材料的同時降低成本是一個挑戰。 |
| 4. 內建與控制技術的創新：為提高電機的整體性能，需要對電機與電池、控制系統進行協同設計和優化。此外，還需要不斷創新控制算法和系統架構，以實作電機與整車的高效協調和智能化控制。 |
總的來說，驅動電機技術面臨的挑戰和難題在于散熱問題、效率和功率密度的平衡、材料可靠性和成本，以及內建與控制技術的創新等方面。解決這些挑戰需要不斷地進行研發和創新，以推動驅動電機技術的進步和發展。