创新的电机设计和宽带隙半导体技术让电动汽车获得优异的牵引力
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牵引电机设计在满足非常苛刻的功率密度和转换效率指标方面面临挑战，从而激发了对先进材料的探索和下一代轻型超高效机器的制造。此外，为了打入市场，这些电力牵引驱动技术必须支持经济可行的车辆解决方案。汽车行业追求各种各样的电力牵引配置以满足各种性能要求。最常见的车辆配置是通过机械传动的单电机和独立控制的轮内驱动（直接驱动或通过减速齿轮）。技术趋势包括改进电机，特别关注减少转子磁体内部稀土材料的使用，因为磁体占电机成本的最大部分，但对于实现性能目标至关重要。此外，主要趋势是降低成本、体积和重量，同时保持或提高性能（更高功率下的更高效率）和可靠性（15 年，100 万公里的使用寿命）。
电动汽车制造商使用了多种类型的电机，每种电动机在紧凑性、效率、速度、范围和可靠性方面都有其优点和缺点。主要电动汽车制造商目前使用三种主要类型的电机：感应电机、开关磁阻 (SR) 电机和永磁 (PM) 电机。 电动汽车牵引中使用的大多数永磁电机是内部永磁 (IPM) 转子。内部永磁 （ IPM ）转子具有磁凸极，可产生额外的磁阻转矩并进一步提高功率密度。使用永磁 （ PM） 电机的主要缺点是 使用的重稀土材料的成本，给定额定功率所需的磁性材料量是关键的成本考虑因素。与电机中使用的其他材料的成本相比，磁性材料的成本较高，并且最大限度地减少或消除所需磁性材料量的设计属性是电机选择的重要考虑因素。
车辆电力电子主要处理和控制电动汽车中的电能流动，电力电子设备对多项功能至关重要，但也许最关键的是主逆变器，它将直流电池转换为三相交流电以驱动电力牵引电机。电力电子设备的核心是功率开关技术（晶体管），它已经经历了超过五代的进步。电力电子的开发活动主要集中在改进逆变器，因为它们是关键部件，对电力电子目标的影响最大。这些开发活动旨在减少逆变器的体积，通过集成功能减少部件数量，并降低成本。今天，硅绝缘栅双极晶体管 (Si IGBT) 主导着中等功率范围，包括电动汽车逆变器。我们现在正在过渡到第六代，由宽带隙 (WBG) 半导体材料取代：两种最常用的 WBG 材料是用于高压/功率应用的碳化硅 (SiC) 和用于低电压应用的氮化镓 (GaN)电压和功率。
电机的质量和尺寸、效率和可靠性由其中使用的材料的特性决定和确保，诸如电工钢、线圈或磁铁和绝缘材料等元素可以占总质量的很大一部分。电工钢（硅钢、叠片钢或软磁材料）是制造电机的关键材料。它们形成电机中的铁芯，用于集中和引导产生铁损（磁滞和涡流损耗）的交变磁场。宽带隙（WBG ）半导体的引入允许功率转换电子设备和电机控制器以更高的频率运行，这降低了对电力电子中无源元件（电感器和电容器）的尺寸要求，并实现了更高效、高转速的电机。然而，当今可用的软磁材料中没有一种能够充分发挥基于宽带隙（WBG ）的设备的潜力，这导致材料专家寻找其他材料来满足更新高频设备的需求。 定子带有绕组（铜线线圈），这些绕组插入槽中并连接以形成绕组，以便在通电时形成磁极。包括分布式、集中式和发夹式在内的绕组方法提供了最大限度地提高性能和减少机器损耗的潜力。然而，每种方法都必须有效地散热，同时提高材料填充系数。曳引机定子采用集中绕组或分布绕组绕制，分布式绕组可以以发夹方式缠绕成股或棒状随机缠绕。在最近量产的车辆中，采用发夹式绕线设计，正在成为流行趋势。与随机绕线相比，这种绕线设计将槽填充系数提高了 80% 以上，减少了端匝长度，提高了热性能，并有助于实现高度自动化的制造过程。
为了达到长期性能和成本目标、绕组设计方法和制造创新允许使用更高的工作温度、更好地散热、更有效地利用现有材料以及更高的空间系数（铜截面与绕组总截面的比率）。利用更好的建模能力、仿真和设计工具将提高性能（更高功率下的更高效率）、性能/重量比，并可以改进现有技术并加速新技术的采用。例如，多物理场建模可以同时模拟热、电气和机械特性等多种现象，这对于加速单个动力总成技术的发展至关重要。
温升和热设计在牵引电机应用中至关重要，非常准确地估计电机关键部件的温升对其可靠性至关重要。了解机器中的关键热点可以进行更有针对性的热管理，还可以使用先进的计算设计工具和准确的电机数据集（材料、电气、机械热等）。考虑到这些标准，可以确定最佳电机设计。通过耦合分析电气设计软件、有限元法 (FEM) 电气设计软件和高保真 3D 热建模，可以精确模拟机器中的温度分布。主要好处是能够定义运行损耗以及对组件尺寸、温度和热管理的相应影响。 结论 从历史上看，人们专注于混合动力电动汽车，但重点已转移到全电动汽车，电动汽车的电力牵引主要包括电力电子设备（逆变器、升压转换器和车载充电器）以及用于驱动车辆的牵引电机，电池连接到电力电子设备（逆变器），然后为连接到车辆车轮的电机供电。牵引电机的设计和制造必须经历一个永久性的开发和改进过程，以实现电动汽车的大规模市场渗透。 |
