电机的选择

电动客车对电机的性能要求

电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动

车轮和工作装置。电动客车的驱动电机通常要求能够频繁启动/停车、加速/减速，低速和爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩， 并要求变速范围大。其主要参数包括： 电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、可靠性和成本等。另外为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统也会影响驱动电动机的性能。

工业电机通常优化在额定的工作点，电动汽车驱动电机比较独特，单独归为一类。电动汽车电机与工业电机相比有很大的不同：

1、电动汽车驱动电机需要有4-5倍的过载以满足短时加速或爬坡的要求；而工业电机只要求有2倍的过载就可以了。

2、电动汽车的最高转速要求达到在公路上巡航时基本速度的4-5倍，而工业电机只需要达到恒功率是基本速度的2倍即可。

3、电动汽车驱动电机需要根据车型和驾驶员的驾驶习惯设计，而工业电机只需根据典型的工作模式设计。

4、电动汽车驱动电机要求有高度功率密度（一般要求达到1kg/kw以内）和好的效率图（在较宽的转速范围和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；而工业电机通常对功率密度、效率和成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。

5、电动汽车驱动电机要求工作可控性高、稳态精度高、动态性能好；而工业电机只有某一种特定的性能要求。

6、电动汽车驱动电机被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气、及频繁振动等等恶劣环境下。而工业电机通常在某一个固定位置工作。

电动汽车电机的基本要求包括：

1) 高电压。在允许范围内尽量采用高电压，可减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可降低逆变器（将直流电转化为交流电的装置）的尺寸。

2) 高转速。高转速电动机体积小、质量轻，有利于降低电动客车的整车整备质量。

3) 质量轻。电动机采用铝合金外壳以降低电动机质量，各种控制器装备的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小。

4) 较大的起动转矩和较大范围的调速性能。这样使电动客车有良好的启动性能和加速性能。电动机有自动调速功能， 因此可以减轻驾驶员的操纵强度， 提高驾驶的舒适性， 并且能达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。

5) 效率高、损耗少，并具有制动能量回收功能。电动客车应具有最优化的能量利用，以在车载总能量不变的情况下最大限度的增加续驶里程，再生制动回收的能量一般可达到总能量的 10%～20%，这是在内燃机汽车上不能实现的。 6) 必须有高压保护设备。

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7) 可靠性好、耐温和耐潮性好、运行时噪声低。 8) 结构简单、维修方便及价格便宜。

电机的类型的选择

目前，电动客车驱动用的电动机通常有直流电动机、交流三相感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机。这四类电机各自都有自己的优点和缺点。

直流电机、异步电机、感应电机、永磁电机。 直流电动机

早期电动汽车大都采用直流电动机驱动系统。在可控硅整流器件出现之前，电动客车的速度控制是通过机械式开关改变蓄电池串联个数，以达到改变电机电枢电压来实现的。这种调速方法是有级调速，且效率低，可靠性较差。在可控硅整流器件出现后，驱动电机的控制可以采用脉冲宽度调制(PWM)的直流斩波控制，但是直流电机效率低下，其换向器和电刷需要经常性的周期维护，运行成本高，运用场合有很大的局限性，可靠性差。再加上该种电机成本高、体积大、质量大，所以随着高性能的交流调速系统的出现，直流电机驱动已基本上被淘汰。

交流三相感应电动机

交流三相感应电动机是一种运用广泛的电动机，在转子和定子之间没有相互接触的部件，结构简单，运行可靠，经久耐用。交流三相感应电动机的功率容量覆盖面很宽广，转速可达到12000-15000r／min，冷却自由度高，对环境的适应性好。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量轻一半左右。交流三相感应电动机已经能够大批量生产，有各种不同型号和规格的产品供用户选用。价格便宜，维修简单方便。但是交流三相感应电动机的耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时需保证对交流三相感应电动机的冷却。交流三相感应电动机的功率因素较低，使得变频变压装置的输入功率因素也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。另外就电机调速性能而言交流机较差，虽然说随着大功率开关器件的出现以及电力电子技术、现代控制技术的成熟，交流驱动系统发展迅猛，但是由于感应电动机的直轴和交轴的磁耦合作用，使得其控制系统异常复杂，交流三相感应电动机控制系统的造价远远高于交流三相感应电动机本身，增加了电动客车的成本。

永磁电动机

电动客车用永磁电动机主要有两大类：永磁无刷直流电动机和永磁交流同步电动机。随着高性能稀土合金永磁材料的出现，有效地提高了永磁电动机功率密度，磁场衰退特性也优于其他电动机。永磁磁铁的磁极具有很高的强度，提高了电动机在高速转动时的可靠性。由于永磁电动机的磁通量小，在低负荷时铁耗很小，因此永磁电动机具有高的功率／质量比，比其他类型的电动机有更高的效率，更大的输出转矩，电动机的极限转速和制动性能等优于其他类型的电动机。永磁电动机没有电刷或滑环等零件，结构更加简单，性能更加可靠。与相同 功率的其他类型的电动机相比，永磁电动机的体积更小，质量更轻，更加适合作为电动客车的驱动电动机。基于永磁电动机高功率密度、高效率等一系列优点，目前已成为电动客车驱动电机的主要选择之一。但是它也存在一些问题，电机结构、制造Z12艺相对来讲较为复杂，驱动控制系统复杂，造价高。而且永磁电动机受到永磁材料工艺的影响和，使得永

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磁电动机的功率范围较小，最大功率仅为几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将严重降低永磁电动机的性能，甚至损坏电动机。同样永磁交流同步电动机在恒功率模式下，操纵较复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使永磁电动机驱动系统造价非常高。从经济角度和可行性看，又严重阻碍其用于电动客车驱动电机。

开关磁阻电动机

开关磁阻电动机是一种新型电动机，首先它的结构简单而坚固，结构上的简单是其它任何电机所不能比的；在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，能够在恶劣环境下工作，几乎不需要维护；功率范围很宽广，转速可达50 000 r／min；转子惯量小，系统动态响应快；电机转矩与电流方向无关，功率开关器件数量可以减少；起动转矩高而无起动冲击电流；理想的四象限运行特性非常适合于电动客车驱动；转矩／转速特性与电动客车的运行特性相吻合；发热集中在定子上，散热能力强；效率可达85％-93％，比交流三相感应电动机要高，而且在很宽广的范围内保持高效率；电机控制方面也灵活简单，功率密度与异步电机相类似，电机制造成本也很低。目前，影响开关磁阻电动机广泛应用的主要障碍，是它的转矩脉动和噪声、振动问题，这是由于双凸极工作机理引起的，所以说开关磁阻电机本身无法克服，只能减小。 表格

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纯电动客车用电动机性能参数初步确定方法

设计内燃机为动力的汽车时， 一般先根据汽车预期的最高车速来初步选择内燃机的功率。作为纯电动客车的动力源———电机， 其速度- 扭矩特性与内燃机的截然不同， 同时电机又有过载和“堵转”特性， 所以合理选择电机的功率和传动比， 将对纯电动客车的动力性及整车续驶里程产生重大影响。下面是确定电机重要基本参数的数学模型。 2。1

以最高车速确定电机额定功率

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以常规车速确定电机额定转速 2。3

以额定功率/转速确定电机额定转矩 MN=9 5·PN nN (3)

式中： MN——

—额定转矩， N·m。 2。4

以最大爬坡度确定其短时工作线低速转矩

假定以匀速爬坡， 车辆所受阻力项中没有加速

电动机性能必须分为连续工作性能和短时工作性能， 其连续工作特性曲线由电机的额定值来确定， 短时工作特性曲线是电机过载一定倍数之后的 电机参数确定的基本原则：

电动机性能必须分为连续工作性能和短时工作性能， 其连续工作特性曲线由电机的额定值来确定， 短时工作特性曲线是电机过载一定倍数之后的转矩功率特性曲线。由公式(1)～(5) 计算后所得的参数便可满足以下基本原则： 1)用电机的额定工况计算电动客车的最高车速;

2)用电机的短时工作性能曲线计算车辆的最大爬坡度; 3)电动客车的常规车速应落在电机的基频上;

4)电动客车最高车速功率平衡点应落在电机连续工作性能曲线的等功率段上。

电动机类型 !额定电压 ! 额定功率 ! 输 出效率 ! 尺寸参数 ! 可靠性和成本等[2

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一、电机峰值功率及额定功率的匹配

电机的功率大小直接关系到电动汽车的动力性的好坏。电机功率越大，电动汽车的加速性能和最大爬坡度越好，但电机的体积和质量也会相应地增加，同时电机不能经常保持在高效率下工作，降低了电动汽车的能量利用率，降低了汽车的行驶里程。驱动电机的最大功率（Pemax）必须满足最高车速时的功率（Pe）、最大爬坡度时的功率（Pa）及根据加速时间的功率（Pc）要求，即：Pemax2CDAumaxmgfPe3600T21.15max[Pe,Pa,Pc]。其中，

umax  CDAui2mgfcosmaxmgsinmaxPa3600T21.15ui23uuCAuaaDaPcmmgftata 3600taT1.521.152.52ta1式中：umax——最高车速，km/h； T——传动系机械效率； m——电动汽车整备质量，kg； f——滚动阻力系数； CD——空气阻力系数； A——迎风面积，m2； max——最大爬坡度，()； ui——爬坡车速，km/h；

ua——汽车的加速末速度，km/h；

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ta——汽车加速时间，s。

P6.52kw

Pa10.1kw

Pc4.2kw

P额

电机的峰值功率与额定功率的关系为：P峰式中：P峰——电机峰值功率，kw； P额——电机额定功率，kw； ——电机过载系数。

根据Pemax选择驱动电机的峰值功率，这里选择P额10kw，P峰45kw。

二、电机最高转速和额定转速选择与匹配

驱动电机的额定转速（nb）和最高转速（nmax）的选取应符合驱动电机的转矩转速特性要求，如图1所示。在启动即低转速时得到恒定的最大转矩（Tmax），同时在高转速时得到恒定的较高功率（b）。

Tmax 恒转速区 恒功率区 功率 转矩 wb nb nmax n/r/min 图1 驱动电机扭矩转矩特性

nmaxnb（电机扩大恒功率区系数）。增大值，可使电机在恒

转矩区获得较大转矩，提高汽车的加速和爬坡性能。但是，如果值过大，会导致电机工作电流和逆变器的功率损耗和尺寸增大，因此

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值一般取2~3。

Tmax的选择需要满足汽车起动转矩和amax的要求，同时结合传动

比imax和max来确定。

Tmax1mg(fcosmaxsinmax)rTimax

式中：r——汽车轮胎滚动半径，m； imax——传动系统最大传动比。

电机最高转速的确定，根据最高车速umax及最小传动比imin确定

imax0.377nmaxrumax

电机最大扭矩的确定，可以根据最大爬坡度max和最大传动比imax决定。

imaxmg(fcosmaxsinmax)rTtqmaxT

nmax5265r/min

Tmax293Nm

结论：

最终确定电动机的相关参数如下：

额定功率 kw 峰值功率 kw 额定转速 r/min 最大转速 r/min 额定转矩 N·m 最大转矩 N·m

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