車用驅動電機原理與控制基礎(第2版)緒論21.1電機的發展簡史法拉第（1）“電機技術積累階段”電機的技術起源可以追溯到1831年法拉第發明盤式電機，直至1866年大功率直流發電機研制成功之前的一段時間，可以稱為“電機技術積累階段”。（2）“直流電機的工業化應用”

1866年德國人西門子成功研制自激和并激式大功率直流發電機，開啟了大功率機械能向電能轉換的序幕，進而引發了19世紀晚期的“電氣化”革命。電機技術的發展也進入第一個黃金發展期：“電機技術成熟期”。（3）“交流電動機的發明”進入十九世紀上半葉，各種交流電機不斷發明和發展，開始了電機大量工業應用的第一個黃金年代。（4）“電力電子應用于交流電機調速控制”功率半導體技術的發展極大地促進了交流電機調速技術的進步。圖1-11831年法拉第圓盤發電機實物模型與電路原理圖圖1-2斯特金電機原理圖圖1-3斯特金電機原理圖31.2車用驅動電機的特點和常用類型因為車用的特殊應用需求，車用電機有其顯著的技術特征，突出體現在如下方面：1）重量比功率高：量化對于整車的能效提高有直接的貢獻，因此與固定設備的工業電機不同，車用電機普遍要求盡可能高的單位質量功率。2）體積比功率高：車用空間的優化是永恒的主題。電機系統越緊湊，就越容易滿足整車的需要，實現更深度的“嵌入”設計，因此要求單位體積的電機功率要盡可能高。3）效率高：追求高效率是所有電機應用的基本要求。車用電機的主要特點是，驅動電機的高效率區要寬，不只是在特定工作點上有較高的效率，而在較寬的轉速、轉矩范圍內都有較高的效率，從而滿足車輛各種行駛工況下的效率優化。4）調速范圍寬：除個別車型采用多個速比的變速箱外，電動汽車基本都只有一個固定速比的減速器；為了滿足車輛的高速行駛和低速爬坡需求，車用電機的調速范圍要非常寬。5）轉矩動態響應快：車用電機持續工作于變工況狀態下，高的轉矩動態響應既是駕駛員駕駛性主觀體驗的重要技術基礎，也是與整車安全功能相關的核心關鍵指標。6）短時峰值功率大：汽車勻速行駛所需的持續驅動功率顯著低于加速工況所需要的短時峰值功率，但加速工況的持續時間較短，因此車用電機設計上（短時）峰值功率與（持續）額定功率相差可以達到一倍以上。7）長壽命、高可靠、環境適應性好和低成本。41.2車用驅動電機的特點和常用類型（1）交流感應電機，也稱異步電機，其特點是結構簡單、制造方便、堅固耐用、成本低廉、運行可靠、轉矩脈動小、低噪聲、不需要位置傳感器、轉速極限高。局限性是，它的轉速與其旋轉磁場的同步轉速有固定的轉差率，因而調速性能略差。而且相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低。（2）永磁同步電機，功率密度和效率是永磁同步電機的突出優勢，此外，調速范圍廣、轉矩控制性能好、結構簡單和可靠性高等特點也很突出，是目前車用電機的首選類型。針對一些特殊應用場合，比如扁平結構或軸向磁通結構電機，永磁電機的技術優勢更加突出。根據轉子上永磁體的安裝位置不同可以分為面裝式（SPM）和內置式（IPM）兩大類，其中后者因為轉子的凸極效應所產生的“磁阻轉矩”可以有效提高電機的效率，在車用電機設計上更受青睞。對于反電動勢為方波的永磁同步電機，有時也被歸類為“直流無刷電機”（BrushlessDCMotor，簡稱為BLDC）。車用驅動電機永磁同步電機感應電機面裝式內置式圖1-4常見車用驅動電機分類5典型電機基本組成和工作原理直流有刷電機永磁同步電機61.3車用驅動電機的典型應用ISG電機與P2電機ISG電機又稱作P1電機，其具體的安裝位置以及結構形式如圖1-5所示，電機與發動機直接連接，電機轉子取代了傳統的飛輪。此結構對傳統汽車傳動系統改動少，而且具有元件少、噪音低、起動迅速等優點，是目前最為簡單、成熟的一種混合驅動方式。P2電機的安裝位置位于變速箱的輸入端，如圖1-6所示。與ISG構型的本質區別在于發動機和電機之間增加了一個離合器（通常稱為K0離合器）。所以P2電機驅動構型可以實現純電驅動、內燃機驅動和混合動力驅動三種工作模式。與ISG構型的混合動力系統類似，不需要改變原來傳統燃油汽車的發動機和變速器基本結構。圖1-5ISG電機構型布置和結構形式圖1-6P2構型安裝位置和結構形式71.3車用驅動電機的典型應用電機與變速箱的集成將內燃機和電機輸出的旋轉機械能在變速箱中通過不同方式耦合，即電機與變速箱集成是目前混合動力車輛的重要技術路線，這種將電機與變速箱集成后的變速箱又稱作混合動力專用變速器DHT，其工作原理是通過集成一個或者多個電動機到變速器中形成帶電動機的自動變速器系統，疊加發動機輸入功率后即可實現混合動力驅動的功能。豐田公司的混合動力系統THS是比較典型的DHT變速器。可以看出該系統采用了發動機與雙電機（MG1、MG2）3個動力源，并通過行星齒輪耦合構成電控無極變速器，根據車輛的不同工況實現發動機轉速和轉矩的雙自由度調節。當電動機MG2純電行駛時，發動機通過電動機MG1給電池充電；發動機也可以與電動機MG2（或者MG1）同時驅動汽車。THS屬于功率分流混合動力，通過電動機或發動機控制其轉矩比例，從而實現傳動比的無級調節，所以THS又被稱為電動無級變速器。圖1-7第三代THS系統結構示意圖81.3車用驅動電機的典型應用三合一純電驅動總成將電機、控制器和減速器集成起來的三合一電驅動總成系統由于其高集成度，是車用電驅動系統的重要發展方向，該種集成形式的電驅動系統的優勢在于：1）集成式設計可以使驅動系統體積減小。驅動系統各部件被整合為一體，這無疑使整個系統更緊湊，使得車輛動力系統的布局可以更加靈活；2）集成式設計可以使驅動系統重量減小。隨著主要零部件的高度集成，各部件間的連接線材大幅減少，系統重量也得到了優化，使車輛能耗更低；3）集成化設計有效減小了各部件間的距離，優化了能量傳輸路徑，有利于減低損耗，使動力總成效率更高。圖1-8“三合一”電驅動總成91.3車用驅動電機的典型應用輪轂電機圖1-9輪邊和輪轂電機驅動類型目前輪轂電機驅動方式主要有兩種：第一種是所謂“輪邊電機”，其典型拓撲結構為內轉子外定子，其結構簡圖如圖1-9左圖所示，其工作原理是轉子作為輸出軸與固定減速比的行星齒輪減速器的太陽輪相連，車輪輪轂與其齒圈連接，通過較大的減速比來放大輪轂電機的輸出轉矩，所以該結構電機一般為高轉速內轉子電機。第二種是直接驅動輪轂電機，其典型拓撲結構為外轉子內定子，結構簡圖如圖1-9右圖所示，其工作原理是外轉子通過固定裝置直接與輪轂相連，當電機運轉時，車輪與電機同步旋轉，所以直接驅動輪轂電機一般為低速大扭矩外轉子電機。10交通強國戰略的實施交通電氣化是交通領域節能減排的基本技術途徑和產業機遇。我國在交通強國戰略指導下，在軌道交通、公路交通運載工具電氣化領域取得舉世矚目的成就。在軌道交通行業，通過原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新相結合，形成了以CRH高速動車技術為代表的完整的高速鐵路技術體系。截至“十三五”末，全國電氣化鐵路里程數占比超過70%，其中高速鐵路通車運行總里程接近四萬公里，占世界高鐵營業里程的一半以上。在公路交通領域，自上世紀末開始，我國持續開展新能源汽車核心關鍵技術攻關和產業鏈培植，在電機、電池等關鍵零部件領域和電動汽車整車產品等方面均取得跨越式發展，初步實現了在汽車工業領域的戰略逆轉。2020年，中國新能源汽車銷量為130余萬輛，占全世界總銷量的四成。11中國電機工業的苦難輝煌在西方工業界電氣化革命開始的40余年之后，中國的電機工業才蹣跚起步，但生逢亂世，電機工業舉步維艱。新中國成立后，中國電機工業與祖國的現代化建設共成長，以惲震、褚應璜為代表的老一輩電機人為中國電機工業的長期發展做出了卓越貢獻。近70年來，經過幾代人持續不斷的努力，我國的電機工業已經達到世界領先水平。在大型水電機組、核電、風電、軌道交通、電動汽車等行業應用領域實現了產業自主和成套裝備出口。以車用驅動電機為例，伴隨新能源汽車產業的快速發展，我國自主開發的永磁同步電機、交流異步電機