刘麦

(海南经贸职业技术学院，海南省智能电网装备工程研究中心，海南海口 571127)

0 引言

汽车保有量的逐年增长，来自能源与环境污染方面的压力也日益加重，而新能源汽车很好地解决了这一问题，作为新能源汽车的发展重头，纯电动汽车有着广泛的发展和应用空间。驱动电机是电动汽车三大关键技术之一，目前适合于电动汽车的驱动电机主要有交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机三大类。交流异步电机的抗环境能力、转矩脉动和噪声要优于其他电机，维护方便，但是高效性、调速性能、散热性能稍差，启动和过载能力一般，主要以美国车企以及大型高速电动汽车使用为多；永磁同步电机的损耗小、效率高、功率密度高、结构简单紧凑、调速性能好，但是永磁材料受环境影响易退磁，成本受稀土材料价格的影响，本体经济性稍差，调速范围有限，低速运行时损耗大，中国、日本等国家电动汽车电机以永磁同步电机为主；开关磁阻电机结构简单、可靠性、本体经济性好，但是噪声震动大、舒适性差[1-2]。

1 驱动电机的应用现状

根据工信部整车出厂合格证数据统计显示，我国2016年电动汽车配套驱动电机装机量达59.5万台，永磁同步电机超过45万台，占比77%；交流异步电机超过14万台，占比22%。2017年配套驱动电机装机量达87.42万台，永磁同步电机装机量68万台，占比超过77%，交流异步电机装机量近19万台，占比21.4%[3]。2018年配套驱动电机装机量达133.5万台，其中永磁同步电机装机量121.2万台，占比达90.79%[4]。2019年配套驱动电机装机量超过124万台，永磁同步电机达120万台，占比达到97.51%[5]。从数据可以看出，永磁同步电机的占比逐年增加，成为电动汽车驱动电机的发展主力。

电动汽车驱动电机行业主要由传统整车及零部件企业、其他领域电机企业、专门针对电动汽车成立的电机企业三大类构成，2018年和2019年上半年电动汽车电机装机量十大企业见表1[6]和表2[7]。

表1 2018年电动汽车电机出货量十大企业

表2 2019年上半年新能源汽车电机装机量十大企业

2 驱动电机的发展趋势

2.1 永磁同步电机

丰田prius电机驱动系统被认为是业内前沿技术的标杆，2017年推出的全新变速箱搭配的电机称为Prius 2017或Prius IV，代表了丰田对驱动电机的最新研究与技术应用。电动机为一个8极48槽的永磁同步电机，文中以Prius IV来分析永磁同步电机的关键技术发展趋势。相比Prius Ⅲ、Prius Ⅳ的主要技术参数对比见表3[8-9]。

表3 Prius Ⅳ和Prius Ⅲ重要参数对比

从表3可知，Prius Ⅳ的最大功率和最大转矩有所下降，但是最大速度却明显提升。高速化使得功率密度进一步提高，对比Prius Ⅲ、Prius Ⅳ的体积功率密度提高了18%。Prius IV电机的定子直径首次实现了下降，降低了20%，整体结构上更为紧凑，体积更小。综上可知，高速化、高功率密度、紧凑化是永磁同步电机的发展趋势。

Prius磁极结构如图1所示。

图1 Prius磁极结构

核心技术发展上，丰田公司主要在磁极结构、定子绕组和稀土材料上深入研究。Prius IV磁极结构变化很大，采用V一结构设计。每一个槽内的磁钢在轴向分为两段，抑制高速时磁钢的涡流损耗，且增设了两个磁桥，弱磁能力增加，以提高运行速度。同时，Prius IV通过优化的磁路设计，气隙磁密和反电动势更接近正弦波，减小了谐波，降低磁损耗和转矩脉动。定子绕组呈扁平状，进一步提升槽满率，采用发卡绕组方式，设计使用了高速扁线绕组成型技术来降低高频集肤效应，优化扁线绝缘材料，更薄、耐电压级别更高。永磁材料上，深入研发轻稀土少稀土技术，新的无Dy镝稀土永磁技术，大幅度降低稀土的用量，从而降低了电机成本[1]。

2.2 开关磁阻电机

开关磁阻电机转子上没有绕组和永磁体等，使其结构简单、散热性能好、制造和维护成本低，且可靠性能和调速性能好、效率高、体积和质量小，诸多优势使得它作为一种新型驱动电机，各主机厂和电机企业尝试在电动汽车领域开发应用。然而，开关磁阻电机的本体设计和控制要求较高，受电磁径向力作用，转矩脉动较大，使得噪声和振动较大，对于追求舒适性的汽车而言，是将开关磁阻电机广泛应用在电动汽车驱动系统领域中急需解决的问题。

美国、德国、日本等国家对开关磁阻电机的研究工作比较多。日本学者千叶明团队开发了一种满足电动汽车运行性能的新型开关磁阻电机驱动系统，其转矩密度和效率能够达到永磁同步机的要求，应用于普锐斯混合动力车；捷豹公司发布了一款采用两台开关磁阻电机的混合动力车C-X75；路虎汽车公司也在车展上发布了一台采用开关磁阻电机驱动的纯电动汽车[2]。而国内汽车对开关磁阻电机的研究与应用投入相对薄弱，实际装配应用较少。

开关磁阻电机目前还处于进一步的研究开发、测试试验阶段，需要不断地优化、完善和提高，在结构、材料、性能、成本等方面的诸多优势，使其应用领域在不断拓展，但仍未得到大量市场应用，输出转矩脉动产生的振动和噪声问题是限制其发展应用的最大的制约因素，目前开关磁阻电机的主要研究方向即为解决这两大问题。

2.3 轮毂电机驱动

目前国内电动汽车驱动电机多采用集中式驱动方式，分为一个驱动电机或前后各一驱动电机两种形式。轮毂电机驱动方式最早由保时捷搭载到纯电动汽车上，是目前电动汽车驱动电机方式的一个重要发展方向。国外对轮毂电机技术的研发投入较大，如英国Protean、日本丰田、NTN等企业，国内研发轮毂电机的企业较少，且大多停留在理论开发和试验研究上，实际应用较少。交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等都可用于开发成轮毂电机，目前以永磁同步电机在轮毂电机上的研究和应用较为广泛。

轮毂电机作为电动车的动力驱动，集成度高、动力控制灵活独立、响应速度快、转矩控制精度高、车身设计自由度高、有利于实现更先进的如自动驾驶等运动控制策略[10]，是驱动系统发展的一个重要方向，具有极大的应用潜力。但是，电机在轮毂处，散热性能不良，工作环境恶劣，振动噪声大，防水防尘要求高，汽车簧下质量过大等都极大地限制了轮毂电机的应用。以及轮毂电机对运动控制的高要求，分布式转矩控制、防滑控制、车辆稳定性和平顺性控制等方面仍有大量需要解决的问题[11]。

目前轮毂电机应用范围较小，随着技术成熟度的提高，轮毂电机作为动力驱动的一系列优势，特别是在智能控制方面的优势，使其必将成为电动汽车的主要动力驱动方式，将在电动汽车领域得到广泛应用[12]。

3 国内电动汽车驱动电机发展举措

国内电动汽车企业面临着和Tesla、丰田、宝马等巨头的竞争，驱动电机须在核心技术、制造工艺等方面追上巨头公司，甚至做得更好才能长久生存。

3.1 深入研究关键技术，勇于创新

目前国内驱动电机产品与国外相比，在设计和制造工艺上都有较大的差距。国外在电机研发上的投入巨大，注重新产品的开发，特别是关键技术的研究。电机的可靠性高、故障率低、振动噪声性能好、效率不断提高、寿命长、体积小、质量轻，是国外产品的优势。国内企业目前处于学习、模仿、追赶的循环中，主要体现在结构设计上无法突破、制造工艺水平有待提升、产品性能存在差距、关键材料的质量不能满足要求，特别是一些高精度高要求的部件，如高转速轴承、高性能硅钢片等还高度依赖进口。

国内驱动电机行业，需要学习国外的先进技术，但也必须深入研究关键技术，加大新产品开发的资金和人员投入，勇于创新，掌握核心技术才不被制约。发展过程中首先需要重视人才的培养，人才才是创新的根本；其次要尊重知识产权、保护知识产权；再者，行业内系统联合优化，知识共享，共同发展，创造一个共赢的发展环境。

3.2 拒绝价格战，寻求质量和价格的平衡

电动汽车电机企业早期超过200家，竞争激烈，外资电机企业又在加速布局，而近年受全球经济衰退和贸易战的影响，需求量减少。有些电机企业出于企业发展需求，以低价位的策略，笼络客户资源、回收资金，从而主动或者被动地加入到价格战中。价格战减少了企业利润，而原材料、人工等成本的增加，又导致企业的净利润进一步被压缩。低价竞争导致重心在于企业的生存上，无法投入更多做好产品。行业的良性发展，不能使得各企业处于价格战中无法自拔，只关心降低成本，而应首先考虑把产品做好，不停地提高性能指标，迭代升级产品，做一流电机。在做好产品的基础上降低成本，在质量和成本之间寻找一个权衡，既有了做高质量产品的能力，又在成本方面寻求出路，通过控制成本反方向刺激设计。

3.3 提高供应商要求，和供应商共同成长

电机企业与供应商之间是一个合作互利的关系，企业要维持运转，离不开原材料、生产、物流等各个供应商的支持。随着企业的发展，对供应商的需求量也会越来越大，需要整合调动整个供应链的资源，与供应商之间充分协调合作，供应商的重要性也就越发体现出来。电机企业在发展自身产品设计、制造、成本控制方面，也需要合理选择供应商，在全球范围内挑选优质供应商，对供应商提高要求。以长远发展的战略目标，电机企业与供应商之间的合作不能一味地要求降低成本，而是帮助供应商解决问题，和供应商一起做好质量提升，共同发展，共同前进，从而形成真正意义上的共赢。优质的供应商质量管理，能让企业的发展、效率进一步提升。

4 结论

驱动电机作为电动汽车的动力源，其发展趋势主要为集成化、智能化和数字化。驱动电机类型而言，目前电动汽车以永磁同步电机为主，交流异步电机在我国公路使用的局限性使其未来市场应用将逐渐减少，开关磁阻电机由于振动、噪声较大，目前很难被电动汽车主机厂接受，应用受限，但随着技术的不断改进，解决这一问题后也将会逐步应用到电动汽车市场上，而轮毂电机驱动方式随着技术的不断成熟会逐步增加应用，并将成为主要驱动方式。我国电机企业要抓住这次电动汽车发展红利，充分利用自身优势、学习国外优秀技术，掌握先进的核心技术，形成行业良性竞争，开发具有竞争优势的先进电机产品。