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起重电机之电动汽车用电机技术比较综述

发布时间：2022-08-01 23:15:00 点击：

起重电机专业生产厂家无锡宏达电机2022年8月1日讯 本文主要讨论了感应电机、磁阻电机和永磁电机在电动汽车中的相关应用，综述得出最有前景的电动汽车用牵引电机类型。近年来，全球变暖等环境问题引起了广泛关注，推动了电动汽车和牵引电机的发展。本文首先简要介绍电动汽车发展历史和电气传动系统；然后，详细说明了电机的技术分类。最后，根据三种电机的结构和工作原理，分别分析了它们的优缺点。为了确定最适合电动汽车的电机，考虑了转矩密度、功率密度、效率、成本和转矩脉动等特性，并根据这些特性对感应电机、感应电机和永磁电机进行了比较。结果表明，感应电机是电动汽车中应用最广泛的电机，而内嵌式永磁电机是目前最有前途的电机。然而，电机技术仍然面临许多挑战，例如解决高频效应和开发新的拓扑结构。

如今，传统汽油车已经造成了严重的环境问题和能源问题。尽管汽油发动机具有良好的供电、长途行驶和较高的功率密度等优点，但汽油发动机中的不完全燃烧是二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和温室气体的主要来源。因此，需要研究和制造替代燃料汽车的电动汽车/混合动力汽车，以实现可持续发展。然而，用电动汽车和混合动力汽车取代汽油车是一个巨大的挑战，其中一个关键技术是电机的设计。

与传统汽油车相比，电动汽车有着更悠久的历史。1827年，第一台由定子、转子和换向器组成的电动机由匈牙利牧师Ányos Jedlik发明。一年后，这种电机能够驱动一辆小汽车[1]。1845年，英国物理学家惠斯通发明了直线电机，该电机在当今工业中得到广泛应用。40年后，尼古拉·特斯拉发明了感应电机。20世纪初，美国开始大规模生产电动汽车。因此，当时的电动汽车的普及程度是汽油车的三倍。同时代，同步电机和磁阻电机相继被发明。然而，这种统治在1930年结束。由于缺乏电网和充电电池，大多数家庭负担不起使用电动汽车的经济成本[2]。同时，大型工厂的装配线使汽油车的制造效率更高、成本更低。汽油的广泛发现也大大降低了驾驶汽油车的经济成本。此外，与汽油车相比，电动汽车的显著缺点是充电设施较少、输电可靠性差和行驶距离短[3]。由于这些缺点，电动汽车的发展在20世纪30年代至80年代停止。尽管电动汽车在那个时期并不流行，但电动机的创新并没有停止。继20世纪50年代引入的永磁同步电机（PMSM）之后，1962年借助霍尔元件又发明了无刷直流电机（BLDC）。

在讨论电机之前，有必要介绍如何控制电机。电驱动系统被定义为一个系统，用于检测电机的参数，如速度、扭矩和方向，然后为电机提供更好的控制。每种类型的汽车的电气驱动系统都不同，但仍有一些与所有电气驱动系统相关的共同特征[4]。能够控制速度的先进电气驱动系统由多个部件组成，如图1所示。

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图1. 电气驱动框图[5]

电动汽车中，电源通常为电池，为整个电气驱动系统提供能量。在接收到电源后，功率转换器可以修改其接收信号，使电机能够工作。例如，功率转换器将直流电转换为交流电，从而使感应电机能够运行。功率转换器的另一个关键功能是，它可以用于控制电源的功率，以控制电机的行为。借助于此，电机将电能转换为机械能，以便负载（在电动汽车中即为车轮）可以完成给定的任务。在负载工作期间，传感器用于检测特定的驱动因素，如电机中的速度、扭矩和电流。这些信息将传输到控制器，该控制器使用这些反馈控制功率转换器[6]。因此，电驱动系统是一个闭环系统。

1. 电动机的分类

电机的分类有多种方法。如果考虑换向特性，电机可以分为自换向电机和外换向电机。表1显示了分类。

表1. 电机技术的第一种分类[7]

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更具体地说，一种自换向电机是机械换向电机，它使用碳刷或滑环进行换向。这类电机的典型代表是使用交流电源的通用电机和使用直流电源的电励磁直流电机。另一种自换向电机是电子换向电机，它使用电子元件进行换向。磁阻电机（RM）属于这一类。另一方面，外部换向电机可细分为感应电机（IM）和同步电机（SM）。鼠笼式感应电机（SCIM）和绕线转子感应电机（WRIM）是两种典型的感应电机。而永磁同步电机（PMSM）是一种典型的同步电机。

此外，还有另一种分类，取决于三个因素：电流供应的类型、磁场产生的方式和气隙中的磁场状态。因此，如表2所示，电机可分为六类：有刷直流电机（BDCM）、感应电机（IM）、同步电机（SM）、开关磁阻电机（SRM）、同步磁阻电机（SynRM）和永磁电机（PMM）。

表2.电机技术第二种分类[8]

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图2.电动汽车牵引电机的分类

如图2所示，表贴永磁电机（SPM）和内嵌永磁电机（IPM）是两种主要的永磁电机。在某些分类中，SRM和SynRM也被视为一种磁阻电机（RM）。

一般来说，上述所有类型的电机都可以应用于电动汽车牵引。然而，不同的电机工艺有不同的优缺点，因此设计师和市场青睐某些工艺。在这些电机中，感应电机、永磁电机和磁阻电机是目前最流行的三种电机。

2. 感应电机

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图3.感应电机的结构[8]

感应电机（IM）的结构如图3所示。由于这种结构，感应电机具有低制造成本和鲁棒性好的优势。因为没有永磁体、电刷、位置传感器和换向器环，感应电机的结构相对简单。因此，其制造成本显著降低。此外，鼠笼式绕组的存在使转子结构更加坚固；因此，整个电机的可靠性增加。

感应电机的基本工作原理包括两个步骤：

首先，由于定子绕组中交流产生的旋转磁场与鼠笼绕组之间的相互作用，在鼠笼绕组中产生感应电流。

然后，感应电流与旋转磁场相互作用以产生扭矩。因此，一旦鼠笼绕组的角速度落后于旋转场的角速度，就会立即产生扭矩，使鼠笼绕组与旋转场对齐。这意味着转子（鼠笼式绕组）的角速度取决于旋转场的角速度，旋转场的角速度可以通过改变交流电源的频率轻松调整。因此，可以方便地调节机器速度。

此外，尽管鼠笼式绕组与旋转场完全对齐时没有扭矩，但不会持续很长时间。因此，感应电机有一个小的转矩脉动。

然而，感应电机存在过热和铜损耗问题。在给定的交流电源频率下，电压越高，磁通量越大。如果电压高于额定值，则会发生过流。过流将导致过热，从而导致电机故障[9]。铜损耗是由于感应电流通过鼠笼绕组中耗散的功率引起的。此外，恒定功率范围窄是感应电机应用于电动汽车的另一个问题。电动汽车的牵引通常需要3-4倍的基本速度扩展，而感应电机只能实现2-3倍的速度扩展。

3. 磁阻电机

在没有绕组和磁铁的情况下，磁阻电机中的转子由软磁性材料组成，通常为叠层硅钢，定子由多个凸极电磁极组成。转子的设计使其在不同方向上具有不同的磁阻。因此，当定子中存在磁极时，转子将承受扭矩并旋转，直到达到转子和定子之间磁阻最小的位置。磁阻电机有两种类型，开关磁阻电机和同步磁阻电机。

A. 开关磁阻电机 (SRM)

开关磁阻电机由凸极转子和带绕线电枢线圈的定子组成，如图4所示。

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图4.开关磁阻电机的结构[10]

当电流通过定子绕组时，绕组将表现为磁极。为了最小化整个系统的磁阻，转子与定子磁极具有对齐的趋势，只有磁阻转矩会在转子上产生。为了防止转子和定子的所有磁极相互对齐，转子磁极数小于定子磁极数，以便在向定子绕组供电时转子可以保持旋转。这种结构确保了开关磁阻电机的故障安全性，这意味着一个定子或转子磁极的断裂或故障不会影响开关磁阻电机的运行。这种结构也使开关磁阻电机具有较高的效率，因为转子中没有绕组，因此不会导致铜损耗。此外，开关磁阻电机还具有在高温环境下安全运行和易于调整速度的特点。

然而，在电动汽车中应用开关磁阻电机时，转矩脉动是其固有的缺点。由于转子旋转时磁阻变化，因此产生的磁阻转矩将根据转子位置脉动。图5显示了转子旋转时的磁阻转矩和电感变化。

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图5.转矩和电感变化[12]

B. 同步磁阻电机(SynRM)

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图6.同步磁阻电机的结构[8]

同步磁阻电机的结构如图6所示。尽管开关磁阻电机和同步磁阻电机具有相同的工作原理，但它们具有不同的转子和定子结构。在同步磁阻电机中，采用传统的定子绕组，而不是凸极，转子横向或轴向叠层多层磁通屏障。因此，定子绕组产生的磁通可以由磁通屏障之间的转子铁引导，然后产生磁阻转矩。与开关磁阻电机不同，同步磁阻电机具有相同数量的转子和定子磁极，这意味着它同步运行。

同步磁阻电机和开关磁阻电机具有一些共同的优点，例如成本低，易于调整速度。特别是在高速条件下，转子上的磁阻转矩不会显著降低。同步磁阻电机的另一个优点是转子损耗低。转子中没有绕组，并且转子同步运行，因此转子中的电流较少。此外，转子中没有永磁体意味着在高温环境下没有反电动势问题和退磁。另一方面，与提供给开关磁阻电机的电流相比，电源电流更像是正弦波，这有助于同步磁阻电机在一定程度上减少转矩脉动和噪声。此外，与感应电机相比，同步磁阻电机具有更高的功率密度。有证据表明，ABB有限公司生产的同步磁阻电机的功率密度比传统感应电机高20%-40%[13]。

然而，即使转矩脉动小于开关磁阻电机，转矩脉动仍超过电动汽车牵引电机的转矩要求（不超过5%）。这是因为转矩仍然是由磁阻变化产生的，磁阻变化会导致转矩脉动。同步磁阻电机的另一个缺点是功率因数低。低功率因数导致逆变器的VA额定值较高。在对同步磁阻电机和感应电机的性能进行比较分析后，T.a Lipo的团队表明，同步磁阻电机可以比传统感应电机具有更高的扭矩密度。然而，同步磁阻电机所需的VA额定值约为感应电机的1.4倍[14]。

4. 永磁电机

永磁电机（PMM）用转子中的永磁体代替传统绕组来产生磁场。当永磁体的磁场与转子电枢绕组产生的磁场相互作用时，将产生扭矩。与磁阻电机类似，永磁电机可以受益于无绕组转子的设计，减少机器中的转子损耗可以提高效率，并且可以实现更紧凑的结构以占用更少的体积。通过选择具有更强磁场的磁铁，也可以提高功率密度。作为永磁电机的类型，将进一步分析表贴永磁电机（SPM）和内嵌永磁电机（IPM）。

A. 表贴永磁电机(SPM)

表贴永磁电机的示意图如图7所示。它由一个带有传统电枢绕组的定子和一个由几块永磁体覆盖的转子组成。通常，永磁体由碳纤维或不锈钢等固定套筒固定。与磁阻电机不同的是，表贴永磁电机的转子看起来像一个圆柱体，没有明显的突起。这种结构不利于产生磁阻转矩。因此，表贴永磁电机产生的大部分扭矩是电磁扭矩。

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图7.表贴永磁电机的结构[15]

表贴永磁电机具有可控性好、转矩脉动小等优点。由于转矩产生的原理不是基于磁阻，当转子从对齐位置旋转到未对齐位置时，转矩不会显著波动。此外，表贴永磁电机的扭矩密度大于感应电机和磁阻电机中的扭矩密度。由于转矩仅取决于永磁体磁链和定子中的q轴电流，因此使用更强的永磁体可以轻松提高转矩。此外，无绕组设计使表贴永磁电机比其他电机更紧凑。因此，表贴永磁电机具有更大的扭矩密度。

然而，表贴永磁电机有几个缺点。弱磁能力低就是其中之一。由于永磁体的磁导率接近空气的磁导率，因此覆盖转子的永磁体体积将被视为空气体积。与其他电机相比，这导致表贴永磁电机中的气隙更大，从而降低了定子绕组的电感。另一个缺点是成本高，高品质永磁体价格昂贵。制造包含许多永磁体的表贴永磁电机成本很高。此外，表贴永磁电机不适合高速运行。当转子旋转时，定子绕组将经历由永磁体提供的变化磁场，因此定子绕组将感应到反电动势，其方向与电源方向相反。在高速运行中，反电动势将更大，从而减少定子中的有效电流。此外，在高速运行时，当巨大的离心力作用在永磁体上时，即使它们受到固定套筒的保护，也存在永磁体从转子上分离的风险。最后一个缺点是表贴永磁电机的热性能相对较差。在高温环境下，磁铁可以退磁，从而产生较小的扭矩。

B. 内嵌永磁电机(IPM)

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图8.内嵌永磁电机的结构[16]

比较内嵌永磁电机和表贴永磁电机的结构，最显著的差异是永磁体的位置。如图8所示，内嵌永磁电机的永磁体插入几个槽中，槽的形状为V形，开口侧朝外，压印在转子中。其工作原理类似于表贴永磁电机。电磁转矩可以通过埋磁体的磁场与电枢绕组产生的磁场的相互作用产生。此外，由于永磁体的磁导率接近空气，V形设计可以引导电枢绕组提供的磁通量。因此，也会产生磁阻转矩。

低成本是内嵌永磁电机的特点之一，因为它比表贴永磁电机需要更少的永磁体。另一个优点是内嵌永磁电机具有很高的弱磁能力。由于所有磁铁都插入转子内部，因此气隙较小，从而产生高电感和高弱磁能力。此外，永磁体的嵌入式设计防止磁体在巨大离心力下分离。考虑到这些优点，内嵌永磁电机是高速运行的理想选择。

然而，内嵌永磁电机的一个显著缺点是铁损，尤其是在高速运行时。这是因为凸极转子的几何形状导致磁阻波动、铁芯的局部饱和和强烈的电枢反应。这些因素导致大量MMF谐波，从而增加铁损耗[18]。内嵌永磁电机的另一个缺点是由于磁阻转矩，其转矩脉动比表贴永磁电机高。然而，可以通过在磁岛上钻孔并改变永磁体的几何形状来减少这种影响[19]。

5. 电动汽车牵引电机之间的比较

电动汽车用牵引电机应具有高功率和转矩密度、高效率、低成本、良好的调速性能和低转矩脉动等特点。

关于转矩和功率密度，由于永磁体可以提供强大的磁通量，永磁电机超过感应电机和磁阻电机。相比之下，感应电机和磁阻电机由转子提供的磁通量较少，占用空间较大。

考虑到效率，内嵌永磁电机排名第一。这是因为转子中的永磁体提供了稳定的磁场。此外，由于磁铁较少，产生的涡流较低。在这些电机中中，感应电机的效率最低。当感应电流通过鼠笼式绕组时，有相当大的铜损耗。

在成本方面，感应电机具有元件少、无稀土材料、结构简单等特点，因此感应电机的成本最低。相反，表贴永磁电机成本最高，因为它需要在转子上覆盖大量永磁体。

在调速方面，感应电机、开关磁阻电机、同步电机和内嵌永磁电机之间没有明显的差异。由于其结构优势，磁阻电机的表现略优于其他电机。相反，转子和定子之间的巨大气隙导致表贴永磁电机的调速能力最差。

在转矩脉动方面，表贴永磁电机表现最好，因为定位转矩在旋转期间不会发生显著变化，而开关磁阻电机由于旋转期间磁阻的变化而具有最显著的转矩脉动。

根据上述分析，定量比较如表3所示，每个方面的最高分为20分，最低分为0分。显然，感应电机由于其低成本、良好的调速性能和低转矩脉动，更有可能在电动汽车牵引中得到广泛应用。例如，NIO在ET5型电动汽车的前部应用了感应电机，特斯拉也曾使用感应电机为Model 3供电。然而，在保持相同优势的情况下，内嵌永磁电机具有非凡的性能功率密度、转矩密度和效率。因此，内嵌永磁电机可能是最有前途的电动汽车牵引电机。

表3. 电机之间的比较

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然而，电动汽车牵引系统仍面临许多挑战。最大限度地减少高频效应是挑战之一。这是由使用IGBT和MOSFET等元件设计的逆变器引起的，这些元件在高频交流电压电源下工作，产生电磁干扰[20]。这种影响会影响电机驱动系统，并导致局部放电，击穿电动汽车牵引系统中的绝缘体。另一个困难是开发新的电机拓扑，例如轴向磁通电机，这将提高电机的功率上限。此外，轴向磁通电机是一种潜在的轮毂电机设计，由于没有中间部件浪费机械能，因此可以进一步提高效率。

6. 结语

W经过几十年的沉寂，电动汽车正在蓬勃发展。为了使电动汽车具有优异的性能，电机设计是关键。选择感应电机、磁阻电机和永磁电机作为电动汽车的候选电机，并根据其结构和工作原理对其进行了分析和比较。通过比较，感应电机由于其结构简单、成本低，更有可能在电动汽车中得到广泛应用，而内嵌永磁电机由于具有良好的功率密度、转矩密度和高效率，是最有前途的电动汽车牵引电机。在内嵌永磁电机的帮助下，电动汽车可以拥有更大的功率和更好的速度调节，以占领更多的市场。然而，内嵌永磁电机并不完美。应开发新的拓扑结构，以进一步提高电动汽车的性能。此外，处理高频效应是工程师面临的另一个挑战。

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