NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车
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郭美华 王升平
中山职业技术学院 广东省中山市 528404
摘 要： 传统的增程式发电机多为内转子结构，其结构复杂、体积较大，运行时热量易集聚在电机内部，导致温升过高，破坏绝缘层，严重影响电机性能。它已经满足不了现在对增程器用发电机高效、紧凑、运行平稳的要求。为实现高功率密度、高效率、高可靠性分析，本文将对增程式电动汽车外转子永磁同步发电机进行探讨。
关键词：增程式；外转子；发电机
纯电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FEV），这三者统称为新能源汽车。现阶段纯电动汽车具有以下优点：污染小、噪音小、能量效率高；结构简单、方便拆装维修等，主要不足之处：由于受电池技术的影响限制，车辆续驶里程短、故障率较高和充电不方便，正因为这些原因，
混合动力汽车诞生了，混合动力汽车虽说兼顾了内燃机和纯电动汽车的优点，但是其纯电动续驶能力差、控制系统复杂，前景不太乐观；燃料电池电动汽车燃料来源广泛、成本低、可再生、效率高，但结构又比较复杂。近年来，一种新的纯电动汽车的概念增程式电动汽车（E-REV）被提出来，它主要是配置安装了增程器，增程器由发动机和发电机构成，在需要的时候给车辆提供能量，这在很大程度上体现出了纯电动汽车的优势，并且使纯电动汽车续驶里程短的缺陷得到了改善。增程式电动汽车是一种介于混合动力汽车和纯电动车二者之间的一种车型。目前，业内人员普遍认同增程式电动汽车技术的发展前景，此项发展已经成为现阶段和中长期新能源汽车发展的重要方向。开展这方面的研究有助于提高我国新能源汽车关键技术的研究水平，在动力电池技术瓶颈还未很好的解决前，是向纯电动车过渡的最佳方案，增程式电动汽车发电机技术也有助于早日实现新能源汽车规划目标[1]。
电动汽车上安装增程器，可以使混合动
力汽车节油率达到30%—50%。电动汽车的
续行里程也大大增加了，车载电池的成本和
重量也在很大程度上得到了控制。但是由于
车辆安装空间不足的影响，必须要选用性
能好的增程器，采用带永磁同步发电机的
增程器，能够满足高效率工作区域占比高的
要求，同时发电机的功率密度要求高和体积
小。外转子永磁同步发电机具有如下优点：
比如结构简单，运行可靠；体积小，功率密
度高；损耗小，效率高，高效率工作区域占
比高；外转子永磁同步发电机与内转子永磁
同步发电机相比，电机更具优势：功率密度
更高，电机转子散热条件比内转子天优越，
并且在同样的电机重量下可以获得更大的转
动惯量，不额外增加飞轮机壳满足增程器的
平稳运行等优点[2]。
1 增程式电动汽车发展背景及介绍
鉴于“十三五”期间的“市场主导、创
新驱动、重点突破”的发展战略和增程式电增程式电动汽车技术架构图
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动汽车的优点，在《中国制造2025》中，我国明确提出要开发“高性能插电式混合动力总成和增程器发电机”，加强高密度、高效率发电机的开发，探明高效发动机与发电机集成的核心关键技术。增程器技术决定了是否能开发出性能优越、油耗低、排放好的增程式电动汽车。增程器是发电机系统中重要的供能设备，是增程式电动汽车技术发展中亟需解决和完善的关键技术之一，开发用于增程器的高效紧凑型发电机势在必行[1]。传统增程器用发电机多采用内转子结构，其结构复杂、内部空间小，不易实现多极，运行时热量易集聚在电机内部影响电机性能，严重时会导致永磁体失磁。本文提出增程式电动汽车外转子永磁同步发电机，高效紧凑型外转子电机轻量化和高功率密度设计等是增程式电动汽车外转子永磁同步发电机急需解决的核心技术难题。
2 国内外同类产品和技术概况
2010年8月，美国通用公司推出了全球首款增程式电动汽车——雪弗兰Volt，Volt整车还装有一个动力电池，在纯电动模式下，车辆能行驶40-80km。此外，Volt还额外加装了一台1.4L自然吸气发动机和一台额定功率为55kW的发电机构成整车的增程器。在增程模式下，Volt总的续驶里程能高于500km，可以满足城市居民的远距离出行[2]。
日本的新能源汽车技术一直走在世界的前沿。2013年，马自达2增程式电动汽车由马自达公司成功推出，这款电动汽车的最大行驶里程可达到381km，采用的增程器由转子发动机和电动机组成，其中转子
发动机为27马力，电动机的峰值扭矩154Nm、最大功率为100马力、油箱额定容积9L、发动机排量0.33L。此车二氧化碳排放控制在15g/km 内[2]。
国外增程器技术的发展相对领先，相比于我们国家相对成熟，虽然国内企业研发的增程式电动汽车在续驶里程等方面还有一些欠缺，但最近几年国内企业增程器技术也取得了一定的进展，这主要归功于近几年的快马加鞭以及国家政策的大力支持，相关技术人员更是付出了艰辛的努力。国内相关企业在开发公交车和轻型商务车时为兼顾长里程
和节能的要求，也开始青睐于采用增程式电
动汽车技术，像吉利、北汽、陕汽、宇通、
中车等企业都将准备推出相关的车型。国
内多家企业也在开发应用在公交车和轻型商
务车的增程器发电机，但大都采用了传统的
内转子方式。传统的内转子设计具有内部空
间小、不易实现多极，运行时热量聚集在电
机内部难以快速散出，从而影响永磁体性能
等缺点。难以做到增程器技术紧凑、高功率
密度、高效率的要求。外转子电机具有轴向
尺寸紧凑、可靠性高、转动惯量大、运行平
稳、散热性能好、效率高等优点。
3 增程式外转子发电机特点
外转子电机的特点是定子固定在靠轴中
间位置不动，转子在定子的外围旋转，也属
径向气隙磁通结构，与内转子结构相比是转
子与定子换了个位置。
定子在电机内部称为内定子，转子在电
机外周，称为外转子。内定子铁芯外圆周均
匀分布着许多槽，用来嵌装绕组；外转子内
圆周贴有永磁体磁极。外转子旋转时，绕组
切割磁力线感生电势。外转子由导磁良好的
铁质材料做成，很像一个桶套在定子外侧，
这种结构的优势在于，不会因为旋转过程中
离心力而甩脱，这种结构的特点就是磁极固
定相对比较简单。外转子通过转轴安装在定
子机座的轴承上，组成一个永磁外转子发电
机[3]。
4 增程式外转子发电机发展趋势及
难点
增程器用外转子永磁同步发电机因具有
轴向尺寸紧凑、可靠性高、转动惯量大、运
行平稳、散热性能好、效率高等优点成为了
车企及电机企业未来的重要研发方向。
外转子永磁同步发电机的发展任重而道
远，外转子结构难度较大，设计方面相对复
杂，内转子主要通过两个轴承支撑转子的两
端，这两个轴承固定在前后端盖上，转子安
装在两个轴承之间；外转子结构中，两个轴
承安装在轴的同一端，这两个轴承由转子支
撑，这对转子系统的设计要求相对更高。此
外，外转子高速旋转时需要承受较大的离心
力，转子直径大，转子容易发生变形，转子
变形会导致气隙形状的改变。气隙形状的改
变会又会导致气隙磁密分布不均匀，从而引
起径向力与轴向力的不均，这会使发电机的
性能严重受到影响。并且发电机中的旋转体
是转子，它的结构直接影响到发电机的振动
噪声和特性，为了保证转子的可靠性，我们
需要对转子动力学进行详细的分析计算[4]。
另外，因为车用发电机往高功率密度、紧凑
型方向发展，也就标志着需要对发电机转子
的结构进行更加高标准、高精细的设计，而
转子处于多物理场的相互作用中，比如：温
度场、磁场、结构应力场，结构环境复杂，
能否对这些边界条件进行准确计算对于转子
结构的设计与强度分析至关重要[5]。
基金项目：中山职业技术学院科研项目
（增程式电动汽车新型外转子发电机关键技
术研究），项目编号：2017KQ02。
参考文献：
[1]唐任远.现代永磁电机理论和设计[M]. 北
京：机械工业出版社，1997．
[2]谢培利，席荣盛，崔友.新能源汽车增程
器用外转子永磁同步发电机设计[J].装备
制造技术，2017，11：85-88
[3]李春艳，寇宝泉，程树康.永磁同步电动
机弱磁扩速概况[J].微特电机，2008，36
（1）：58-60.
[4]吴柏禧.基于多场耦合的增程器用外转子
发电机转子结构设计[D].华南理工大学，
2018.
[5]赵金龙.增程式电动汽车动力系统参数
匹配及能量管理策略研究[D].重庆大
学，2014.
作者简介
郭美华： （1982—），女，湖北天门，硕士，讲
转子发动机师。研究方向：车辆工程。
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