驱动电机关键技术及发展趋势论文（驱动电机关键技术及发展趋势分析）

发展趋势：扁线、油冷、一体化

1）扁线电机：扁线电机是指用加工成发夹状的漆包铜扁线代替定子绕组中传统的圆柱形漆包铜线。在圆线电机的定子截面中，圆铜线之间留有大量的间隙，而在扁线电机的定子截面中，矩形铜线可以更好地填充空间并增加槽满率。这就是扁线电机的原因。与圆线电机的根本区别。与传统圆线电机相比，扁线电机可提高裸铜槽满率20%-30%。罐满率的提高相当于电机在相同体积下能够输出更高的功率和扭矩；或者在相同功率下，可以减小电机的外径和体积，从而减轻电机的重量。因此，扁线绕线电机具有更高的功率密度，可以使永磁电机继续向更小尺寸的方向发展。与圆线电机相比，扁线电机的主要优点是减少损耗并提高效率。永磁同步电机的损耗中，铜损（主要是定子绕组中的损耗）约占65%，铁损（定子铁芯和转子铁芯中的损耗）约占20%，其余损耗约占比例相对较低。扁线电机和圆线电机的铁损水平相似，主要区别在于铜损。与传统圆线电机相比，扁线电机裸铜槽满率可提高20%-30%，总铜耗降低21%，效率提高约1%。

2）油冷技术：风冷、液冷和蒸发冷却系统是三种常用的电机冷却系统。风冷散热系统以其成本低、可靠性高、安装方便等优点，在小功率电机冷却领域得到了广泛的应用。液冷散热系统散热功率高，散热效率可达前者的50倍。适用于电机发热大、热流密度高的散热场合。但液冷散热系统需要额外的循环液体管路和密封系统。增加了电机系统的成本和复杂性。蒸发冷却系统主要应用于兆瓦级大容量发电机组的散热系统，利用气液相变循环实现电机的高效冷却。

汽车永磁同步电机的液冷形式大致分为直接冷却和间接冷却两种。间接冷却是在壳体内设计的冷却通道，利用冷却液流经整个壳体来带走热量。直接冷却是将冷却油注入密封电机中，利用冷却油的高比热容进行冷却。而且直接冷却可以增加与热源的接触面积，达到更好的冷却效果。永磁同步电机绕组端部产生大量热量，水冷方式中冷却液不能直接接触绕组。而油冷方式中冷却油可以直接接触绕组，因此冷却效率更高，优点更突出。油冷技术下，冷却油可以直接接触电机发热部件，散热效率远高于传统水冷散热系统。油介质具有绝缘性好、介电常数高、凝固点低、沸点高的优点。比亚迪DMI的驱动电机采用直喷转子油冷技术，可将电机功率密度提升32%。

3）一体化电驱动系统：新能源汽车对续航里程、功率密度、能源利用效率等要求越来越高，电驱动系统正向集成化、小型化、轻量化方向快速发展。目前已发布的一体化电驱动系统包括三合一、四合一、六合一、七合一甚至八合一。最常见的是三合一电驱动系统。一体化电驱动系统将电机、减速器、控制器等部件集成在一起，并共享外壳线束等零部件，实现集成化、降低成本、轻量化。

扁线电机的扁铜线之间的间隙较大，冷却油很容易渗透，这促进了直接油冷却技术的应用。同时，冷却油绝缘性好，可在多种场景下重复使用，加速整车热管理系统集成，推动一体化电驱动系统总成的普及。

性能要求：高效率、大扭矩、散热强

新能源汽车的驱动电机属于工业电机的一种。其原理（电磁感应）、分析方法（常见电磁分析方法）、计算工具（有限元软件）、电磁方程（麦克斯韦方程组）等与普通工业电机一致。分类方法和控制方法没有根本区别。但由于特殊的车辆环境，新能源汽车驱动电机的特殊性能要求主要体现在功率密度高、调速范围宽、启动扭矩大、效率范围宽、散热要求强等方面。 1）功率密度高：车辆驱动电机有严格的体积要求、重量要求和功率要求。大多数工业场景空间巨大，首要目的是满足工业需求，电机的尺寸限制并不突出。然而，在新能源汽车中，电机的尺寸和重量直接影响车辆的动力性能和驾驶体验。电机设计的方向和难点是体积小、重量轻、功率大，并尽可能提高功率重量密度和功率体积密度。

2）调速范围宽：调速范围宽，可以帮助新能源汽车不再需要多速变速箱，只使用定速齿轮组，有效降低成本。因此，新能源汽车驱动电机的调速范围越宽越好，最高转速可以达到基本转速的4倍以上。基础版特斯拉Model S的电机最高转速可达18,000转/分，比亚迪E平台3.0的电机最高转速超过17,000转/分。 3）启动扭矩大：由于汽车强调百公里加速等性能指标，因此新能源汽车的驱动电机在启动或低速时需要超高扭矩，以最快的方式将汽车速度泵至所需速度。一般工业电机对启动速度没有那么高的要求。

4）范围广、效率高：新能源汽车特别是纯电动汽车不像电力机车那样采用受电弓供电，而是采用车载电池组供电。电机的效率直接影响续航里程，因此电机的效率非常高。新能源汽车的驱动电机需要具有尽可能宽的高效率运行范围。正常路况下，汽车不会频繁启动，也不会持续超高速行驶。相反，它会在匀速行驶时加速或减速，因此中间部分的运行效率尤为重要。

5）散热需求旺盛：由于新能源汽车带动的电动汽车需求旺盛，

2021全，中国新能源乘用车中采用油冷技术的整车厂主要有比亚迪、特斯拉、吉利、上汽、奔驰等，落地车型主要有比亚迪宋MAX、比亚迪宋Pro、比亚迪宋Plus，特斯拉Model 3、特斯拉Model Y，上汽荣威eRX5，吉利几何C、吉利帝豪PHEV、极氪001等。对应的电机供应商则主要是比亚迪自产、特斯拉自产、日电产、精进百思特、华域汽车等。 另外，因为扁线端部导体间存在较大的间隙，喷头出油后，直接渗透入扁线绕组端部，带走每一个导体的热量，而圆线绕组端部在浸漆后，成为一个实心整体，冷却油很难渗入内部，带着中间层导体的热量，容易在绕组内部形成热孤岛。因此扁线和油冷是一对黄金搭档，配合使用能大幅度提高散热能力，从而提高功率密度。 油冷电机相较于传统水冷电机，主要的增量环节在于电子油泵/滤清器/散热器，市场单价通常为150/50/50元左右，视采购厂商的采购量上下波动。此外，油冷电机使用的冷却油通常为ATF油（自动变速箱油）。 多合一电驱动系统总成：集成化实现降本增效 新能源汽车对续航里程、功率密度、能量利用效率的要求越来越高，电驱动系统向集成化、小型化和轻量化的方向快速发展。目前已经发布的多合一电驱动系统有三合一、四合一、六合一、七合一甚至八合一，其中最常见的还是三合一电驱动系统。 电驱动系统“多合一”的集成化方案可以让系统内的零部件共享外壳耦合及冷却系统（例如减速器润滑油可以用来冷却驱动电机，特斯拉回收电机热量给电池保温），共享电路及功率半导体，减少线缆用量，有效缩小电驱动系统的体积和重量，提高功率密度，实现轻量化。 1）适用性广：多合一电驱动系统需要顶层设计，从车型平台上进行规划，这样可以大幅缩短开发周期，并能以较低成本满足多种车型的需求； 2）成本降低：减少动力总成内部的高压线束、连接器等零件，减轻重量，降低成本； 3）空间精简：更紧凑地整合电机、逆变器、减速器等模块，解放空间，利于整车布置； 4）能效提高：减少或缩短逆变器与电机之间的连接配线，降低电力损耗，提升电驱动系统的能量利用效率； 常见的三合一电驱动系统，根据电机控制器的位置，可大致分为五种类型。电机控制器或与驱动电机、减速器并列分布，或集成于驱动电机内，或集成于减速器内，在尺寸、线束用量、技术难度上各有优劣势。 多合一电驱动系统的主要壁垒在于： 1）产品设计协调：电驱动系统中的电机、减速器、逆变器等核心零部件可能来自不同的供应商，需要有集成厂商统一设计、规划、生产，进行跨领域的协调。 2）冷却系统集成：多合一电驱动系统往往共享外壳与冷却系统，电机、电机控制器、DC/DC等都是热源，对冷却系统的设计要求大大提高。 3）品控问题：多个核心零部件集成对生产工艺、品控水平提出了很高要求，单一零部件的故障对集成系统的影响不容忽视。 4）EMC问题：大量电子元器件及驱动电机的集成，相互之间的电磁干扰问题需要找到平衡点。 审核编辑 ：李倩