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摘要—本文主要討論了感應(yīng)電機(jī)、磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)在電動(dòng)汽車中的相關(guān)應(yīng)用，綜述得出最有前景的電動(dòng)汽車用牽引電機(jī)類型。近年來(lái)，全球變暖等環(huán)境問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注，推動(dòng)了電動(dòng)汽車和牽引電機(jī)的發(fā)展。本文首先簡(jiǎn)要介紹電動(dòng)汽車發(fā)展歷史和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)；然后，詳細(xì)說(shuō)明了電機(jī)的技術(shù)分類。最后，根據(jù)三種電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，分別分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。為了確定最適合電動(dòng)汽車的電機(jī)，考慮了轉(zhuǎn)矩密度、功率密度、效率、成本和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等特性，并根據(jù)這些特性對(duì)感應(yīng)電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，感應(yīng)電機(jī)是電動(dòng)汽車中應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，而內(nèi)嵌式永磁電機(jī)是目前最有前途的電機(jī)。然而，電機(jī)技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，例如解決高頻效應(yīng)和開發(fā)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如今，傳統(tǒng)汽油車已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題。盡管汽油發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的供電、長(zhǎng)途行駛和較高的功率密度等優(yōu)點(diǎn)，但汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的不完全燃燒是二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和溫室氣體的主要來(lái)源。因此，需要研究和制造替代燃料汽車的電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。然而，用電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車取代汽油車是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是電機(jī)的設(shè)計(jì)。

與傳統(tǒng)汽油車相比，電動(dòng)汽車有著更悠久的歷史。1827年，第一臺(tái)由定子、轉(zhuǎn)子和換向器組成的電動(dòng)機(jī)由匈牙利牧師ányos Jedlik發(fā)明。一年后，這種電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)一輛小汽車[1]。1845年，英國(guó)物理學(xué)家惠斯通發(fā)明了直線電機(jī)，該電機(jī)在當(dāng)今工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。40年后，尼古拉·特斯拉發(fā)明了感應(yīng)電機(jī)。20世紀(jì)初，美國(guó)開始大規(guī)模生產(chǎn)電動(dòng)汽車。因此，當(dāng)時(shí)的電動(dòng)汽車的普及程度是汽油車的三倍。同時(shí)代，同步電機(jī)和磁阻電機(jī)相繼被發(fā)明。然而，這種統(tǒng)治在1930年結(jié)束。由于缺乏電網(wǎng)和充電電池，大多數(shù)家庭負(fù)擔(dān)不起使用電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)成本[2]。同時(shí)，大型工廠的裝配線使汽油車的制造效率更高、成本更低。汽油的廣泛發(fā)現(xiàn)也大大降低了駕駛汽油車的經(jīng)濟(jì)成本。此外，與汽油車相比，電動(dòng)汽車的顯著缺點(diǎn)是充電設(shè)施較少、輸電可靠性差和行駛距離短[3]。由于這些缺點(diǎn)，電動(dòng)汽車的發(fā)展在20世紀(jì)30年代至80年代停止。盡管電動(dòng)汽車在那個(gè)時(shí)期并不流行，但電動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新并沒(méi)有停止。繼20世紀(jì)50年代引入的永磁同步電機(jī)（PMSM）之后，1962年借助霍爾元件又發(fā)明了無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）。

在討論電機(jī)之前，有必要介紹如何控制電機(jī)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被定義為一個(gè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)電機(jī)的參數(shù)，如速度、扭矩和方向，然后為電機(jī)提供更好的控制。每種類型的汽車的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都不同，但仍有一些與所有電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的共同特征[4]。能夠控制速度的先進(jìn)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，如圖1所示。

圖1.電氣驅(qū)動(dòng)框圖[5]

電動(dòng)汽車中，電源通常為電池，為整個(gè)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量。在接收到電源后，功率轉(zhuǎn)換器可以修改其接收信號(hào)，使電機(jī)能夠工作。例如，功率轉(zhuǎn)換器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而使感應(yīng)電機(jī)能夠運(yùn)行。功率轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)關(guān)鍵功能是，它可以用于控制電源的功率，以控制電機(jī)的行為。借助于此，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以便負(fù)載（在電動(dòng)汽車中即為車輪）可以完成給定的任務(wù)。在負(fù)載工作期間，傳感器用于檢測(cè)特定的驅(qū)動(dòng)因素，如電機(jī)中的速度、扭矩和電流。這些信息將傳輸?shù)娇刂破?，該控制器使用這些反饋控制功率轉(zhuǎn)換器[6]。因此，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

1.電動(dòng)機(jī)的分類

電機(jī)的分類有多種方法。如果考慮換向特性，電機(jī)可以分為自換向電機(jī)和外換向電機(jī)。表1顯示了分類。

表1.電機(jī)技術(shù)的第一種分類[7]

更具體地說(shuō)，一種自換向電機(jī)是機(jī)械換向電機(jī)，它使用碳刷或滑環(huán)進(jìn)行換向。這類電機(jī)的典型代表是使用交流電源的通用電機(jī)和使用直流電源的電勵(lì)磁直流電機(jī)。另一種自換向電機(jī)是電子換向電機(jī)，它使用電子元件進(jìn)行換向。磁阻電機(jī)（RM）屬于這一類。另一方面，外部換向電機(jī)可細(xì)分為感應(yīng)電機(jī)（IM）和同步電機(jī)（SM）。鼠籠式感應(yīng)電機(jī)（SCIM）和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)（WRIM）是兩種典型的感應(yīng)電機(jī)。而永磁同步電機(jī)（PMSM）是一種典型的同步電機(jī)。

此外，還有另一種分類，取決于三個(gè)因素：電流供應(yīng)的類型、磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式和氣隙中的磁場(chǎng)狀態(tài)。因此，如表2所示，電機(jī)可分為六類：有刷直流電機(jī)（BDCM）、感應(yīng)電機(jī)（IM）、同步電機(jī)（SM）、開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）、同步磁阻電機(jī)（SynRM）和永磁電機(jī)（PMM）。

表2.電機(jī)技術(shù)第二種分類[8]

圖2.電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的分類

如圖2所示，表貼永磁電機(jī)（SPM）和內(nèi)嵌永磁電機(jī)（IPM）是兩種主要的永磁電機(jī)。在某些分類中，SRM和SynRM也被視為一種磁阻電機(jī)（RM）。

一般來(lái)說(shuō)，上述所有類型的電機(jī)都可以應(yīng)用于電動(dòng)汽車牽引。然而，不同的電機(jī)工藝有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)師和市場(chǎng)青睞某些工藝。在這些電機(jī)中，感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)是目前最流行的三種電機(jī)。

2.感應(yīng)電機(jī)

圖3.感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)[8]

感應(yīng)電機(jī)（IM）的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于這種結(jié)構(gòu)，感應(yīng)電機(jī)具有低制造成本和魯棒性好的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)闆](méi)有永磁體、電刷、位置傳感器和換向器環(huán)，感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，其制造成本顯著降低。此外，鼠籠式繞組的存在使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固；因此，整個(gè)電機(jī)的可靠性增加。

感應(yīng)電機(jī)的基本工作原理包括兩個(gè)步驟：

首先，由于定子繞組中交流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與鼠籠繞組之間的相互作用，在鼠籠繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

然后，感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用以產(chǎn)生扭矩。因此，一旦鼠籠繞組的角速度落后于旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的角速度，就會(huì)立即產(chǎn)生扭矩，使鼠籠繞組與旋轉(zhuǎn)場(chǎng)對(duì)齊。這意味著轉(zhuǎn)子（鼠籠式繞組）的角速度取決于旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的角速度，旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的角速度可以通過(guò)改變交流電源的頻率輕松調(diào)整。因此，可以方便地調(diào)節(jié)機(jī)器速度。

此外，盡管鼠籠式繞組與旋轉(zhuǎn)場(chǎng)完全對(duì)齊時(shí)沒(méi)有扭矩，但不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。因此，感應(yīng)電機(jī)有一個(gè)小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

然而，感應(yīng)電機(jī)存在過(guò)熱和銅損耗問(wèn)題。在給定的交流電源頻率下，電壓越高，磁通量越大。如果電壓高于額定值，則會(huì)發(fā)生過(guò)流。過(guò)流將導(dǎo)致過(guò)熱，從而導(dǎo)致電機(jī)故障[9]。銅損耗是由于感應(yīng)電流通過(guò)鼠籠繞組中耗散的功率引起的。此外，恒定功率范圍窄是感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的另一個(gè)問(wèn)題。電動(dòng)汽車的牽引通常需要3-4倍的基本速度擴(kuò)展，而感應(yīng)電機(jī)只能實(shí)現(xiàn)2-3倍的速度擴(kuò)展。

3.磁阻電機(jī)

在沒(méi)有繞組和磁鐵的情況下，磁阻電機(jī)中的轉(zhuǎn)子由軟磁性材料組成，通常為疊層硅鋼，定子由多個(gè)凸極電磁極組成。轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)使其在不同方向上具有不同的磁阻。因此，當(dāng)定子中存在磁極時(shí)，轉(zhuǎn)子將承受扭矩并旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到轉(zhuǎn)子和定子之間磁阻最小的位置。磁阻電機(jī)有兩種類型，開關(guān)磁阻電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。

A.開關(guān)磁阻電機(jī) (SRM)

開關(guān)磁阻電機(jī)由凸極轉(zhuǎn)子和帶繞線電樞線圈的定子組成，如圖4所示。

圖4.開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)[10]

當(dāng)電流通過(guò)定子繞組時(shí)，繞組將表現(xiàn)為磁極。為了最小化整個(gè)系統(tǒng)的磁阻，轉(zhuǎn)子與定子磁極具有對(duì)齊的趨勢(shì)，只有磁阻轉(zhuǎn)矩會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生。為了防止轉(zhuǎn)子和定子的所有磁極相互對(duì)齊，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)小于定子磁極數(shù)，以便在向定子繞組供電時(shí)轉(zhuǎn)子可以保持旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)確保了開關(guān)磁阻電機(jī)的故障安全性，這意味著一個(gè)定子或轉(zhuǎn)子磁極的斷裂或故障不會(huì)影響開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行。這種結(jié)構(gòu)也使開關(guān)磁阻電機(jī)具有較高的效率，因?yàn)檗D(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組，因此不會(huì)導(dǎo)致銅損耗。此外，開關(guān)磁阻電機(jī)還具有在高溫環(huán)境下安全運(yùn)行和易于調(diào)整速度的特點(diǎn)。

然而，在電動(dòng)汽車中應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是其固有的缺點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)磁阻變化，因此產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩將根據(jù)轉(zhuǎn)子位置脈動(dòng)。圖5顯示了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的磁阻轉(zhuǎn)矩和電感變化。

圖5.轉(zhuǎn)矩和電感變化[12]

B.同步磁阻電機(jī)(SynRM)

圖6.同步磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)[8]

同步磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。盡管開關(guān)磁阻電機(jī)和同步磁阻電機(jī)具有相同的工作原理，但它們具有不同的轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)。在同步磁阻電機(jī)中，采用傳統(tǒng)的定子繞組，而不是凸極，轉(zhuǎn)子橫向或軸向疊層多層磁通屏障。因此，定子繞組產(chǎn)生的磁通可以由磁通屏障之間的轉(zhuǎn)子鐵引導(dǎo)，然后產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。與開關(guān)磁阻電機(jī)不同，同步磁阻電機(jī)具有相同數(shù)量的轉(zhuǎn)子和定子磁極，這意味著它同步運(yùn)行。

同步磁阻電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)具有一些共同的優(yōu)點(diǎn)，例如成本低，易于調(diào)整速度。特別是在高速條件下，轉(zhuǎn)子上的磁阻轉(zhuǎn)矩不會(huì)顯著降低。同步磁阻電機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子損耗低。轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組，并且轉(zhuǎn)子同步運(yùn)行，因此轉(zhuǎn)子中的電流較少。此外，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有永磁體意味著在高溫環(huán)境下沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)問(wèn)題和退磁。另一方面，與提供給開關(guān)磁阻電機(jī)的電流相比，電源電流更像是正弦波，這有助于同步磁阻電機(jī)在一定程度上減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。此外，與感應(yīng)電機(jī)相比，同步磁阻電機(jī)具有更高的功率密度。有證據(jù)表明，ABB有限公司生產(chǎn)的同步磁阻電機(jī)的功率密度比傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)高20%-40%[13]。

然而，即使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于開關(guān)磁阻電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍超過(guò)電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求（不超過(guò)5%）。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)矩仍然是由磁阻變化產(chǎn)生的，磁阻變化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。同步磁阻電機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是功率因數(shù)低。低功率因數(shù)導(dǎo)致逆變器的VA額定值較高。在對(duì)同步磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的性能進(jìn)行比較分析后，T.a Lipo的團(tuán)隊(duì)表明，同步磁阻電機(jī)可以比傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)具有更高的扭矩密度。然而，同步磁阻電機(jī)所需的VA額定值約為感應(yīng)電機(jī)的1.4倍[14]。

4.永磁電機(jī)

永磁電機(jī)（PMM）用轉(zhuǎn)子中的永磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)繞組來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)永磁體的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用時(shí)，將產(chǎn)生扭矩。與磁阻電機(jī)類似，永磁電機(jī)可以受益于無(wú)繞組轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，減少機(jī)器中的轉(zhuǎn)子損耗可以提高效率，并且可以實(shí)現(xiàn)更緊湊的結(jié)構(gòu)以占用更少的體積。通過(guò)選擇具有更強(qiáng)磁場(chǎng)的磁鐵，也可以提高功率密度。作為永磁電機(jī)的類型，將進(jìn)一步分析表貼永磁電機(jī)（SPM）和內(nèi)嵌永磁電機(jī)（IPM）。

A.表貼永磁電機(jī)(SPM)

表貼永磁電機(jī)的示意圖如圖7所示。它由一個(gè)帶有傳統(tǒng)電樞繞組的定子和一個(gè)由幾塊永磁體覆蓋的轉(zhuǎn)子組成。通常，永磁體由碳纖維或不銹鋼等固定套筒固定。與磁阻電機(jī)不同的是，表貼永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子看起來(lái)像一個(gè)圓柱體，沒(méi)有明顯的突起。這種結(jié)構(gòu)不利于產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。因此，表貼永磁電機(jī)產(chǎn)生的大部分扭矩是電磁扭矩。

圖7.表貼永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)[15]

表貼永磁電機(jī)具有可控性好、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理不是基于磁阻，當(dāng)轉(zhuǎn)子從對(duì)齊位置旋轉(zhuǎn)到未對(duì)齊位置時(shí)，轉(zhuǎn)矩不會(huì)顯著波動(dòng)。此外，表貼永磁電機(jī)的扭矩密度大于感應(yīng)電機(jī)和磁阻電機(jī)中的扭矩密度。由于轉(zhuǎn)矩僅取決于永磁體磁鏈和定子中的q軸電流，因此使用更強(qiáng)的永磁體可以輕松提高轉(zhuǎn)矩。此外，無(wú)繞組設(shè)計(jì)使表貼永磁電機(jī)比其他電機(jī)更緊湊。因此，表貼永磁電機(jī)具有更大的扭矩密度。

然而，表貼永磁電機(jī)有幾個(gè)缺點(diǎn)。弱磁能力低就是其中之一。由于永磁體的磁導(dǎo)率接近空氣的磁導(dǎo)率，因此覆蓋轉(zhuǎn)子的永磁體體積將被視為空氣體積。與其他電機(jī)相比，這導(dǎo)致表貼永磁電機(jī)中的氣隙更大，從而降低了定子繞組的電感。另一個(gè)缺點(diǎn)是成本高，高品質(zhì)永磁體價(jià)格昂貴。制造包含許多永磁體的表貼永磁電機(jī)成本很高。此外，表貼永磁電機(jī)不適合高速運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組將經(jīng)歷由永磁體提供的變化磁場(chǎng)，因此定子繞組將感應(yīng)到反電動(dòng)勢(shì)，其方向與電源方向相反。在高速運(yùn)行中，反電動(dòng)勢(shì)將更大，從而減少定子中的有效電流。此外，在高速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)巨大的離心力作用在永磁體上時(shí)，即使它們受到固定套筒的保護(hù)，也存在永磁體從轉(zhuǎn)子上分離的風(fēng)險(xiǎn)。最后一個(gè)缺點(diǎn)是表貼永磁電機(jī)的熱性能相對(duì)較差。在高溫環(huán)境下，磁鐵可以退磁，從而產(chǎn)生較小的扭矩。

B.內(nèi)嵌永磁電機(jī)(IPM)

圖8.內(nèi)嵌永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)[16]

比較內(nèi)嵌永磁電機(jī)和表貼永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)，最顯著的差異是永磁體的位置。如圖8所示，內(nèi)嵌永磁電機(jī)的永磁體插入幾個(gè)槽中，槽的形狀為V形，開口側(cè)朝外，壓印在轉(zhuǎn)子中。其工作原理類似于表貼永磁電機(jī)。電磁轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)埋磁體的磁場(chǎng)與電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生。此外，由于永磁體的磁導(dǎo)率接近空氣，V形設(shè)計(jì)可以引導(dǎo)電樞繞組提供的磁通量。因此，也會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。

低成本是內(nèi)嵌永磁電機(jī)的特點(diǎn)之一，因?yàn)樗缺碣N永磁電機(jī)需要更少的永磁體。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)嵌永磁電機(jī)具有很高的弱磁能力。由于所有磁鐵都插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因此氣隙較小，從而產(chǎn)生高電感和高弱磁能力。此外，永磁體的嵌入式設(shè)計(jì)防止磁體在巨大離心力下分離。考慮到這些優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)嵌永磁電機(jī)是高速運(yùn)行的理想選擇。

然而，內(nèi)嵌永磁電機(jī)的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是鐵損，尤其是在高速運(yùn)行時(shí)。這是因?yàn)橥箻O轉(zhuǎn)子的幾何形狀導(dǎo)致磁阻波動(dòng)、鐵芯的局部飽和和強(qiáng)烈的電樞反應(yīng)。這些因素導(dǎo)致大量MMF諧波，從而增加鐵損耗[18]。內(nèi)嵌永磁電機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是由于磁阻轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比表貼永磁電機(jī)高。然而，可以通過(guò)在磁島上鉆孔并改變永磁體的幾何形狀來(lái)減少這種影響[19]。

5.電動(dòng)汽車牽引電機(jī)之間的比較

電動(dòng)汽車用牽引電機(jī)應(yīng)具有高功率和轉(zhuǎn)矩密度、高效率、低成本、良好的調(diào)速性能和低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等特點(diǎn)。

關(guān)于轉(zhuǎn)矩和功率密度，由于永磁體可以提供強(qiáng)大的磁通量，永磁電機(jī)超過(guò)感應(yīng)電機(jī)和磁阻電機(jī)。相比之下，感應(yīng)電機(jī)和磁阻電機(jī)由轉(zhuǎn)子提供的磁通量較少，占用空間較大。

考慮到效率，內(nèi)嵌永磁電機(jī)排名第一。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子中的永磁體提供了穩(wěn)定的磁場(chǎng)。此外，由于磁鐵較少，產(chǎn)生的渦流較低。在這些電機(jī)中中，感應(yīng)電機(jī)的效率最低。當(dāng)感應(yīng)電流通過(guò)鼠籠式繞組時(shí)，有相當(dāng)大的銅損耗。

在成本方面，感應(yīng)電機(jī)具有元件少、無(wú)稀土材料、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此感應(yīng)電機(jī)的成本最低。相反，表貼永磁電機(jī)成本最高，因?yàn)樗枰谵D(zhuǎn)子上覆蓋大量永磁體。

在調(diào)速方面，感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、同步電機(jī)和內(nèi)嵌永磁電機(jī)之間沒(méi)有明顯的差異。由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，磁阻電機(jī)的表現(xiàn)略優(yōu)于其他電機(jī)。相反，轉(zhuǎn)子和定子之間的巨大氣隙導(dǎo)致表貼永磁電機(jī)的調(diào)速能力最差。

在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面，表貼永磁電機(jī)表現(xiàn)最好，因?yàn)槎ㄎ晦D(zhuǎn)矩在旋轉(zhuǎn)期間不會(huì)發(fā)生顯著變化，而開關(guān)磁阻電機(jī)由于旋轉(zhuǎn)期間磁阻的變化而具有最顯著的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

根據(jù)上述分析，定量比較如表3所示，每個(gè)方面的最高分為20分，最低分為0分。顯然，感應(yīng)電機(jī)由于其低成本、良好的調(diào)速性能和低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，更有可能在電動(dòng)汽車牽引中得到廣泛應(yīng)用。例如，NIO在ET5型電動(dòng)汽車的前部應(yīng)用了感應(yīng)電機(jī)，特斯拉也曾使用感應(yīng)電機(jī)為Model 3供電。然而，在保持相同優(yōu)勢(shì)的情況下，內(nèi)嵌永磁電機(jī)具有非凡的性能功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和效率。因此，內(nèi)嵌永磁電機(jī)可能是最有前途的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)。

表3. 電機(jī)之間的比較

然而，電動(dòng)汽車牽引系統(tǒng)仍面臨許多挑戰(zhàn)。最大限度地減少高頻效應(yīng)是挑戰(zhàn)之一。這是由使用IGBT和MOSFET等元件設(shè)計(jì)的逆變器引起的，這些元件在高頻交流電壓電源下工作，產(chǎn)生電磁干擾[20]。這種影響會(huì)影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并導(dǎo)致局部放電，擊穿電動(dòng)汽車牽引系統(tǒng)中的絕緣體。另一個(gè)困難是開發(fā)新的電機(jī)拓?fù)?，例如軸向磁通電機(jī)，這將提高電機(jī)的功率上限。此外，軸向磁通電機(jī)是一種潛在的輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)，由于沒(méi)有中間部件浪費(fèi)機(jī)械能，因此可以進(jìn)一步提高效率。

6.結(jié)語(yǔ)

W經(jīng)過(guò)幾十年的沉寂，電動(dòng)汽車正在蓬勃發(fā)展。為了使電動(dòng)汽車具有優(yōu)異的性能，電機(jī)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。選擇感應(yīng)電機(jī)、磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)作為電動(dòng)汽車的候選電機(jī)，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理對(duì)其進(jìn)行了分析和比較。通過(guò)比較，感應(yīng)電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，更有可能在電動(dòng)汽車中得到廣泛應(yīng)用，而內(nèi)嵌永磁電機(jī)由于具有良好的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和高效率，是最有前途的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)。在內(nèi)嵌永磁電機(jī)的幫助下，電動(dòng)汽車可以擁有更大的功率和更好的速度調(diào)節(jié)，以占領(lǐng)更多的市場(chǎng)。然而，內(nèi)嵌永磁電機(jī)并不完美。應(yīng)開發(fā)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的性能。此外，處理高頻效應(yīng)是工程師面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

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注：文章中引用數(shù)據(jù)和圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)