来源：《新能源汽车》

　　节能环保的电动汽车未能及时推广的主要原因是其性价比。目前研发的电动汽车由于受传统汽车设计思路所束缚，其结构仅在传统汽车基础上改装而成，未能充分发挥电机驱动应有的各种技术优势，以致使性价比也难有突破性提高。通过对各种电动汽车动力传动机构的分析比较，采用轮毂式电机驱动方式是最能充分发挥其电机驱动的技术优势。再根据汽车在各种运行工况的特性分析，得出电动汽车对其驱动电机在起步、加速、减速、制动等状况时的各种特性要求。

　　轮毂电机在电动汽车上应用不仅可实现小马拉大车、提高电机驱动效率的效果，还大大简化了机械传动机构，减轻整车自重，减小其传动和附加损耗，即降低成本，也节能减噪，并且如同高档轿车采用四轮驱动，可进一步提高车轮控制的动态响应性，通过微机控制更易实现在传统轿车上较难实施的各种性能优化措施，从而改善操控性和安全性。以此即可全面提高节能环保型电动微轿车的各项性能指标和性价比，使其达到普及型商品化要求，对推广电动汽车和节能减排起到极好效果。

　　变磁阻双凸极电机作用强大

　　通过对车辆起步、加速、爬坡、下坡、高速、低速、滑行、降速、制动和停车等各种行驶工况特性的全面分析，总结出电动汽车对驱动电机的六项性能要求：有较大的启动扭矩和相当的短时过载能力以满足汽车起步、加速和上坡时要求；改善电机的启动特性，避免过大的启动峰值电流损坏蓄电池；有较宽调速范围和理想调速特性以满足汽车高、低速各工况行驶要求；要求电机正反转以简化汽车倒车机构；需电机能方便有效实现发电回馈，将汽车在降速制动和下坡时的动能自动回馈蓄电池，以节能和提高续驶里程；设法利用电磁吸力使电机的定、转子相互吸住来实现电磁制动，避免机械制动存在的热衰退和水衰退，并改进电磁制动功能以缩短制动时间，提高汽车在频繁起、停运行中的制动效能及其恒定性。
　　根据上述分析得出电动汽车对其轮毂式电机除了有较好的调速性能，还要求同时兼有电动、发电回馈和电磁制动三项功能。通过对直流、交流、永磁无刷、变磁阻等各类调速电机的结构原理和特性分析比较，由于变磁阻双凸极电机具有结构简单、坚固可靠、制造成本低、调速性能好、效率高等优点，能运行于正、反转电动及发电四个象限，为一种新兴的典型机电一体化装置。并具有高起动转矩、低起动电流，即特别适于汽车起步和蓄电池驱动的特性要求。为使电动、发电、制动三功能同时较好地有效发挥，首先确定了采用变磁阻双凸极电机作为其基本结构形式。

　　为满足电机的多功能要求，利用制作电机模型，反复模拟运行和改进设计，最终通过巧妙合理安排电机双凸极齿与槽的相对宽度和其绕组的空间布局等一系列改进措施，提高和兼顾了电动、发电和制动三功能的较好发挥。为说明对电机改进的思路和基本原理，需先对现有变磁阻双凸极电机的结构原理作必要说明。

　　变磁阻双凸极电机主要指开关磁阻SRM电机和双凸极永磁DSPM电机。有关变磁阻双凸极电机的结构原理已有不少专著有详尽介绍，在此限于篇幅不再重复，但需借助所推导的理论公式及其结论来进一步分析并提出其改进思路。图1为典型的三相6/4开关磁阻电机结构原理图，如以图中定、转子所处位置为起点，依次给A→C→B→A相绕组顺序通电，则转子在其磁阻转矩的作用下将顺时针转动；反之，若按B→C→A→B顺序通电，则转子就逆时针转动。通过分析可得到其SRM电机产生电磁转矩的基本表达式：（1-1）

　　它表明SRM电机所产生的瞬时电磁转矩Tem正比于电感L对其转角θ的导数和电流i的平方。而且若电感L是随转角θ的增加而增加时，绕组通入电流所产生的电磁转矩为正，即电磁转矩为驱动性，电机运行于电动机状态；若电感L是随转角θ的增加而减少时，绕组内流过电流则产生负的电磁转矩，即电磁转矩为制动性，电机运行于发电机状态。

　　如不考虑磁路饱和，绕组电感L是随转角θ呈线性变化。当转子极处于定子两极之间，定子极弧与转子极弧无重合，气隙磁导最小，电感为最小值Lmin。当转子位置角θ增大时，转子极弧与定子极弧开始重合，绕组电感随之增大，当整个定子极弧与转子极弧相重合时，电感达到最大值Lmax，并在βr-βs内保持不变。当θ继续增大时，定、转子极弧的重叠部分将线性减小，故电感随之线性下降。

　　利用上述电机的电磁转矩公式（1-1）和绕组电感L随转角θ变化的表达式(1-2)，即可较好地说明如何实现电动、发电回馈和电磁制动三种不同的控制方式。通常电机的可控变量为绕组电压±US、开通角θon 和关断角θoff 三个参数。在电动机运行状态时，要求以电感增大区作为电路导通区，即如图2所示的转子角θ1和θ2为开通角θon 和关断角θoff的参考点。而在发电机运行状态时，则以电感减小区作为电路导通区，即以转子角θ3和θ4作为开通角θon 和关断角θoff的参考点。并且在电感最大区βr-βs保持电流，即使该相绕组持续通电就可实现电磁制动。

　　兼顾电动、制动两项功能

　　根据上述电磁转矩公式（1-1）可知电感L对其转角θ的导数，即磁导（电感）变化率越大，其电磁转矩Tem就越大。反映在电机结构上也就是电机极弧槽距（Δθ）的减小有利于提高输出电磁转矩Tem。即从结构上来说，可适当减小槽距，从而即增大凸极齿宽，并且凸极齿宽的增大也正好使电机在制动时能增大其电磁制动力矩。为充分发挥电机的电磁制动效能，要求在电磁制动使绕组持续通电时，能使定、转子圆周上的凸极以电磁相吸而重合的极弧边距尽可能大。为此可通过减少绕组相数和减小凹槽相对宽度两个途径来设法增大了凸极齿宽（突破了此类电机的凸极齿宽一般小于其槽宽的形式）。并且绕组相数的减少，也可减少驱动控制器的功率开关元器件数，即有利于降低其成本。同时又考虑到为减小电机低速时的转矩波动而引起的噪声和振动，需设法通过增加极数来减小转子极距角θcr，并且要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反, 各极上的绕组以串联形式连接。

　　总之，为了兼顾电动、制动两项功能的发挥，电机的设计原则为：通过减少相数和减小凹槽相对宽度来增大凸极齿宽以利提高其电磁制动力矩；通过增加极数来减小电动时的转矩波动，即减小步距角。另外，也可采用改变运行拍数或如同步进电机采用细分驱动电路的方式来设法减小步距角。

　　通过结构改进提高效率

　　根据上述改进电机的基本思路，本发明电机采用了绕组相数尽可能少的两种结构，即为二相和三相，在此以外转子内定子的轮毂式电机结构形式分别描述如下：

　　二相磁阻电机的改进结构如图3所示，其特点是转子凸极齿宽大于槽宽，同时定子极数小于转子极数。定子极数为4的整倍数，而转子极数为6的相同整倍数，图3所示电机的倍数为2，即为二相8/12极磁阻电机。为减小电动时的转矩波动，可通过增加极数来减小步距角，其倍数可增大为3、4、5。为使电机在正、反方向均有自起动能力，要求外转子凸极为永磁体，并以异向极性间隔排列，采用永磁体也有利于提高电机功效，由于永磁体在外转子上，运行转动时可利用车轮轮幅自然散热，避免永磁体在高温下出现退磁现象。同时也要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反, 各极上的绕组以串联形式连接。图3中电机各极距的设计参考值为：外转子永磁体凸极的齿距为20度，槽距为10度；其内定子的凸极齿距为22度，槽距为23度。

　　三相磁阻电机的改进结构如图4所示，其特点是定、转子凸极齿宽均大于槽宽，同时定子极数大于转子极数。定子极数为6的整倍数，而转子极数为4的相同整倍数，图4所示电机的倍数为2，即为三相12/8极磁阻电机。为减小电动时的转矩波动，可通过增加极数来减小步距角，其倍数可增大为3、4、5。并且要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反, 各极上的绕组以串联形式连接。图4中电机各极距的设计参考值为：外转子凸极齿距为26度，槽距为19度；内定子的凸极齿距为18度，槽距为12度。

　　由于该类电机运行时，需要根据汽车运行的实际工况，随时改变电机的运行方式，使其运行于电动、发电回馈或电磁制动任一种状态下。为此，根据变磁阻电机运行原理，需配备转角θ位置检测装置，可采用接近开关式、磁敏式、光电式等各种形式。在此为提高抗干扰能力，可用光电式：即按外转子凸极的分布位置做一透光码盘，与外转子同轴连接，而在内定子相应位置上安装有若干对光电耦合开关, 透光码盘与光电耦合开关配合即可检测转角θ的相对位置。当然也可利用电机绕组电感随转子位置变化的这一特性，通过测量非导通绕组电感来推断转子的位置。转角θ位置检测装置通过对时间t的微分运算也可兼作车轮转速检测用。

　　轮毂电机在电动汽车上应用不仅可提高电机驱动效率的效果，还大大简化了机械传动机构，减轻整车自重，减小其传动和附加损耗，即降低成本、节能减噪，全面提高节能环保型电动微轿车的各项性能指标和性价比，使其达到普及型商品化要求，对推广电动汽车和节能减排起到极好效果。