1.1 电动汽车驱动电机系统应用及噪声研究现状

驱动电机系统是电动汽车的关键性部件，其类型和工作特点直接决定了电动汽车的运行性能。基于车辆道路行驶的动力需求特性分析，电动汽车驱动电机系统应具有以下特点：恒功率输出、高功率密度和宽调速范围以保证变速和超车的要求；在汽车起步和爬坡时具有低速-高转矩的输出特性，低速输出大转矩，以适应车辆的低速启动和加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况；在全部运行范围内，应具有较高的工作效率，保证车辆单次充电的续驶里程；同时，所具有的再生制动功能应保证高效利用能源等特性，另外，还要求驱动电机系统的拓扑结构简单、可靠性高，能够在较恶劣的行驶环境中长期工作；结构工艺性好，适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，成本低等。

为优化驱动电机系统效率，扩大其高效率运行范围，应不断寻求新的电机设计技术和控制策略，同时应用新开发的一些电子技术来改善系统的性能及降低成本。

1.1.1 电动汽车驱动电机系统应用现状

随着先进的电机、功率电子、微电子技术以及控制策略的发展，越来越多类型的驱动电机系统用于电动汽车。电动汽车驱动电机系统主要包括驱动电机和控制器，目前，在电动汽车上应用较广的驱动电机主要有直流驱动电机和交流驱动电机两种，具体分类如图1-1所示。

在电动汽车上常用的直流驱动电机主要有他励直流驱动电机（包括永磁直流驱动电机）、串励直流驱动电机、复合励磁直流驱动电机。常用的交流驱动电机主要有异步驱动电机（感应电机）、无刷直流驱动电机、三相永磁同步驱动电机和开关磁阻驱动电机。下面简要阐述它们在电动汽车中的应用现状。

1.直流驱动电机

直流驱动电机（Direct Current Motor，DCM）系统（简称为直流驱动系统），该系统包括驱动电机控制器和直流驱动电机。

直流驱动电机的控制器一般采用斩波器控制方式。因其结构简单，技术成熟，具有优良的电磁转矩控制特性，在电动汽车中应用较早，例如与电动汽车驱动系统相似且在我国广泛使用的无轨电车，以及电动叉车等工业用电动车辆。直流驱动电机系统的优点是成本低、易于平滑调速、驱动电机控制器所用功率开关器件少、可靠性好、控制器热损耗少，只需采用风冷冷却方式，易于维护。但因为存在电刷和换向器，限制了驱动电机的最高转速，也导致驱动电机体积大、重量较大，且电刷和换向器需要定期维护。

电动汽车常用的直流驱动电机主要有三种：他励直流驱动电机（包括永磁直流驱动电机）、串励直流驱动电机、复合励磁直流驱动电机。

他励直流驱动电机在运行过程中励磁磁场稳定，容易控制，易于实现电动汽车的再生制动要求。但当他励直流驱动电机采用永磁激励时，虽然驱动电机效率高、重量和体积较小，但由于励磁磁场固定，驱动电机的机械特性不理想，驱动电机产生不了足够大的输出转矩来满足电动汽车起动以及加速时的大转矩要求。

串励直流驱动电机的优点是在驱动电机低速运行时，能给电动汽车提供足够大的转矩，而在驱动电机高速运行时，驱动电机电枢中的反电势增大，与电枢串联的励磁绕组中的励磁电流减小，驱动电机高速运行时的弱磁调速功能易于实现，因此串励直流驱动电机系统能较好地符合电动汽车的特性要求。但串励驱动电机由低速到高速运行时的弱磁调速特性并不理想，随着电动汽车运行速度的提高，驱动电机输出转矩快速减小，不能满足电动汽车高速运行时由于风阻大而需要驱动电机输出较大转矩的要求，且串励驱动电机运行效率低。在实现电动汽车的再生制动时，由于没有稳定的励磁磁场，再生制动的稳定性差；另外，由于再生制动时需要加接触器切换，导致驱动电机控制系统的故障率较高，可靠性较差。由于串励直流驱动电机串励励磁绕组的损耗较大、体积和重量较大，故其运行效率较低。

复合励磁直流驱动电机中的永磁励磁部分采用高磁性材料铷铁硼，具有运行效率高等优点。由于驱动电机永磁励磁部分有稳定的磁场，因此用该类驱动电机构成电动汽车动力驱动系统时易实现再生制动功能。同时，由于复合励磁驱动电机增加了增磁绕组，通过控制励磁绕组的励磁电流或励磁磁场的大小，能克服纯永磁他励直流驱动电机不能产生足够的输出转矩来满足电动汽车低速或爬坡时的大转矩要求，而且其重量或体积比串励励磁和只有他励绕组励磁的直流驱动电机轻或小。

带永磁和增磁绕组混合励磁的直流驱动电机（简称续流增磁驱动电机），克服了上述各种直流驱动电机控制系统的缺点。该驱动电机控制系统开创性地使用了自动弱磁调速方式。在这种调速方式中，驱动电机的增磁绕组接到驱动电机的续流回路，在电动汽车处于起动、爬坡等低速运行状态下，由于驱动电机的转速低，故驱动电机电枢回路中的反电势小。因此，在控制器限制驱动电机最大电流的条件下，用于给动力电池组电压斩波器提供驱动电机电枢电压的驱动功率半导体开关器件的导通占空比小，驱动电机电枢中的电流在大部分时间里通过续流回路，使增磁绕组产生足够大的励磁电流来增大励磁磁场，这样驱动电机能产生足够的输出转矩来满足电动汽车起动、爬坡时的需要；而电动汽车在起动过程中，随着车速的提高，驱动电机电枢反电动势也增大，驱动功率半导体开关器件的导通占空比逐渐增大，驱动电机电枢电流通过续流回路的时间逐渐缩短，使驱动电机增磁绕组中的磁场逐渐减弱，满足了电动汽车由低速到高速过程中的弱磁过程。由于弱磁过程不需要接触器或用于调节增磁绕组电压的斩波器来实现对增磁绕组中励磁电流的控制，而是随着电动汽车的车速变化自动完成的，因此系统的可靠性得到了提高。当电动汽车处于正常运行状态下时，驱动电机转速较高，驱动功率半导体器件导通的占空比很大，续流回路中的电流很小，也就是说驱动电机的励磁主要是由永磁部分提供的，因此驱动电机的运行效率很高。自动弱磁调速系统在电动汽车低速运行状态下，驱动电机的输出转矩比串励驱动电机运行方式略有减小，但当驱动电机处在较高速度运行状态下，其输出转矩明显增大，因此更利于电动汽车完成起动过程和高速运行；而且驱动电机高速运行时，由于其增磁绕组中的励磁电流很小，励磁磁场主要是由永磁部分完成的，因此驱动电机控制系统的运行效率高。

2.异步驱动电机

异步驱动电机又称为交流感应驱动电机（Induction Motor，IM），一般采用转子为鼠笼结构的三相交流感应电机。驱动电机控制器一般采用带矢量控制的变频调速方式。

异步驱动电机目前在电动汽车驱动系统上应用广泛，主要因为异步驱动电机在工业中有比较成熟的制造和控制技术，同时具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不需要位置传感器等优点，它的调速技术发展比较成熟，因此被较早地应用于电动汽车的驱动系统。近几年来，由异步驱动电机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。矢量控制又包括最大效率控制和无速度传感器矢量控制，其中前者是使励磁电流随驱动电机参数和负载条件而变化，从而使驱动电机的损耗最小、效率最大；后者不使用速度传感器，而是利用驱动电机电压、电流和电机参数来估算出速度，从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。异步驱动电机主要应用在纯电动汽车（包括轿车及客车）中。异步驱动电机驱动系统的缺点是低速区域和轻载时效率低，同时驱动电路复杂，致使系统成本提高的同时，功率器件故障率也升高。

3.永磁同步驱动电机

永磁同步驱动电机包括无刷直流驱动电机（Brushless Direct Current Motor，BDCM）和三相永磁同步驱动电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）。

三相永磁同步驱动电机系统具有效率高、功率密度高等特点，低速时常采用矢量控制，高速时采用弱磁控制，而无刷直流驱动电机在低速时转矩稳定性比较差，在高速时调速性能较差，所以无刷直流驱动电机逐渐被三相永磁同步驱动电机所代替。同时，由于三相永磁同步驱动电机具有较宽的调速范围，已在国内外多种电动汽车中获得了应用。日本丰田公司的普锐斯（PRIUS）混合动力轿车采用的永磁同步驱动电机的功率已达到了50kW，新配置的运动型多用途汽车（SUV）所用的驱动电机的功率甚至达到了123kW，但目前还存在功率等级较小、成本过高等不足。

4.开关磁阻驱动电机

开关磁阻驱动电机（Switch Reluctance Motor，SRM）在电动汽车上也有应用。这种驱动电机最早是英国（1983年）提出，经过近几十年的发展，已经成为现代交流驱动电机中的一个新支。它的主要特点是结构紧凑牢固，适于高速运行，并且驱动电路简单，成本低，性能可靠，控制灵活，响应速度快，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使开关磁阻驱动电机驱动系统很适合电动汽车的各种运行工况，例如法国F1 AT公司研制的电动汽车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都采用了开关磁阻驱动电机。

开关磁阻驱动电机系统的最大缺点是转矩脉动和噪声大、系统非线性等；相对永磁驱动电机而言，其功率密度和效率偏低；另一个缺点是需要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性，故其应用受到了限制。由于开关磁阻驱动电机系统具有明显的非线性特性，系统难于建模，一般的线性控制方式不适于开关磁阻驱动电机系统，目前主要利用模糊逻辑控制、神经网络控制等方式。香港大学开发的模糊滑模控制具有减少控制振荡等优点，是开关磁阻驱动电机系统控制研究的一个新的突破。

上述四种电动汽车驱动电机在效率、最高转速、费用等方面的对比见表1-1。通过表1-1可以知道，在这四种驱动电机中，永磁同步驱动电机系统的效率最高，也不需要换向器和电刷，在日本等国家开发的电动轿车中得到了较好的应用，但目前还存在着成本太高等缺点。

1.1.2 电动汽车驱动电机系统噪声研究现状

噪声是各种频率和不同强度的杂乱声音的组合。在分析处理噪声问题时，往往首先要对声源及声场进行测试分析，了解噪声的特性，其中包括声源的识别和定位以及声源的特性（声源的类别、辐射声功率、频谱特性、传播规律和声辐射的指向性等）。然而，在实际问题中，辐射噪声强度与环境有关，在传播过程中会发生反射、折射、衍射和吸收等现象，使得对声源和噪声的研究有很大困难。

1.传统工业电机系统噪声研究

传统电机系统噪声研究一般以工业电机为主。根据研究目的，一般将电机噪声和振动的测试分为两类：一类是研究性测试，主要是为了验证电机噪声和振动是否达到设计要求，分析产生噪声和振动的原因，验证降低电机噪声采取的方法及效果；另一类是鉴定性测试，主要是检查电机噪声水平是否达到了标准的要求，即电机质量的鉴定。

虽然评价一台电机工作噪声的等级只要测出噪声级就够了，但为了有效控制电机噪声，必须准确地找出它发声的主要部位和发声的声源，并确定起决定作用的声源，以便采取措施。通常采用按测点位置大致区分各类噪声声源的方法。

一般情况下，噪声鉴别需要记录电机的噪声频谱。通过频谱分析判别电机噪声声源的方法见表1-2。

我国对普通工业电机噪声的研究起步较晚，直到20世纪70年代后才开展起来，基本上沿用国外的方法进行研究，取得了一定的成绩。1981—1983年间，清华大学的俞鑫昌发表了一系列文章介绍了电机噪声源的鉴别方法、感应电机的电磁噪声机理和降噪措施。1987年，张世良等人对泵用微型感应电机的噪声进行了研究，指出了径向力波与电磁噪声的关系。1989年，诸子强等人利用电机定子表面的振动速度和表面附近空气中的声压计算了电机辐射的电磁声功率。电磁噪声主要由电机通电时各次气隙磁密谐波引起的电磁力波作用于电机结构所引起，因此减少电磁力波的来源可以降低电磁噪声。电磁力波分析的准确性将直接影响电磁噪声的预测精度和降噪效果。

2.电动汽车驱动电机系统噪声研究

电动汽车作为一种清洁能源车辆，在近年得到了大力发展，其驱动电机系统也得到了快速发展。电动汽车的特性决定了其驱动电机系统特性应具有：宽的调速范围，以保证高车速和超车等要求；低速输出大转矩，以适应车辆的起动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况，从而区别于传统的工业电机系统。对电动汽车驱动电机系统噪声的测量及频谱分析的研究鲜见报道。目前，国内主要有清华大学的郑泽东等通过扩展卡尔曼（Kalman）滤波器考虑永磁同步驱动电机系统噪声和测量噪声影响的研究，以及徐蕴婕等基于数字信号处理（Digtal Signal Processor，DSP）的全数字永磁驱动电机推进系统的研究；上海交通大学的胡明惠等对驱动电机轨迹跟踪过程中的非线性高斯噪声采用了基于粒子滤波的前馈控制器的研究，王正华等对SPWM载波对驱动电机振动和噪声的影响进行了研究，严莉等对汽车电机噪声实时检测技术进行了研究；哈尔滨工业大学的代颖从电磁力波和驱动电机结构固有模态的分析方面，进行了感应驱动电机电磁噪声的研究。国外也主要是围绕电磁噪声进行研究。

传统的噪声测试需要在专门的消声室或空旷的空间进行。电动汽车驱动电机需要在电动汽车动力驱动系统测试台架上进行。然而，由于体积大和安装困难等原因，电动汽车动力驱动系统测试台架很难建在消声室内，即便将台架建立在消声室内，台架和测功机如何相连才能减少或避免噪声泄露也将成为一大难题，并且台架运行时对驱动电机噪声的影响也很难消除。同时，建立消声室成本较高，因此如何在普通实验室里快捷有效地对电动汽车驱动电机系统进行噪声测试就显得格外重要。