在蒸汽機(jī)啟動(dòng)了18世紀(jì)第一次產(chǎn)業(yè)革命以后，19世紀(jì)末到20世紀(jì)上半葉電機(jī)又引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命，使人類進(jìn)入了電氣化時(shí)代。20世紀(jì)下半葉的信息技術(shù)引發(fā)了第三次產(chǎn)業(yè)革命，使生產(chǎn)和消費(fèi)從工業(yè)化向自動(dòng)化、智能化時(shí)代轉(zhuǎn)變；推動(dòng)了新一代高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的研究與發(fā)展。
21世紀(jì)伊始，世界汽車工業(yè)又站在了革命的門檻上。雖然，汽車工業(yè)是推動(dòng)社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的重要?jiǎng)恿?；然而，汽車工業(yè)的發(fā)展也帶來(lái)了環(huán)境污染愈烈和能源消耗過(guò)多兩大問(wèn)題。而對(duì)于我國(guó)日益擴(kuò)大的汽車市場(chǎng)，這種危機(jī)就更明顯。據(jù)了解，2000年我國(guó)進(jìn)口汽油7000萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2010年后將超過(guò)1億噸，相當(dāng)于科威特一年的總產(chǎn)量。目前世界上空氣污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市中有7個(gè)在中國(guó)，而國(guó)家環(huán)保中心預(yù)測(cè)，2010年汽車尾氣排放量將占空氣污染源的64%。雖然，加劇使用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展汽車工業(yè)，將會(huì)給我國(guó)的能源安全和環(huán)境保護(hù)造成巨大的影響。為此，國(guó)家科技部啟動(dòng)了十五“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)。
高密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機(jī)及其控制系統(tǒng)既是電動(dòng)汽車的心臟又是電動(dòng)汽車研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，已被列為863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的共性關(guān)鍵技術(shù)課題。20世紀(jì)80年代前，幾乎所有的車輛牽引電機(jī)均為直流電機(jī)，這是因?yàn)橹绷鳡恳姍C(jī)具有起步加速牽引力大，控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。直流電機(jī)的缺點(diǎn)是有機(jī)械換向器，當(dāng)在高速大負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，換向器表面會(huì)產(chǎn)生火花，所以電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不能太高。由于直流電機(jī)的換向器需保養(yǎng)，又不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)，除小型車外，目前一般已不采用。
近十年來(lái)，主要發(fā)展交流異步電機(jī)和無(wú)刷永磁電機(jī)系統(tǒng)。與原有的直流牽引電機(jī)系統(tǒng)相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)，其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕（其比質(zhì)量為0.5-1.0kg/Kw）、效率高、基本免維護(hù)、調(diào)速范圍廣。其研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)如下。
1.異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
異步電機(jī)其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠，低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低噪聲，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高。
異步電機(jī)矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，使得異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此被較早應(yīng)用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，目前仍然是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流產(chǎn)品（尤其在美國(guó)），但已被其它新型無(wú)刷永磁牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐步取代。
最大缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，成本高；相對(duì)永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低。
2.無(wú)刷永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
無(wú)刷永磁同步電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，在電動(dòng)車輛牽引電機(jī)中是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，已在國(guó)內(nèi)外多種電動(dòng)車輛中獲得應(yīng)用。
內(nèi)置式永磁同步電機(jī)也稱為混合式永磁磁阻電機(jī)。該電機(jī)在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機(jī)的過(guò)載能力和功率密度，而且易于弱磁調(diào)速，擴(kuò)大恒功率范圍運(yùn)行。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論正在不斷完善和繼續(xù)深入，該機(jī)結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計(jì)自由度大，有望得到高性能，適合用作電動(dòng)汽車高效、高密度、寬調(diào)速牽引驅(qū)動(dòng)。這些引起了各大汽車公司同行們的關(guān)注，特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞。當(dāng)前，美國(guó)汽車公司同行在新車型設(shè)計(jì)中主要采用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。
表面凸出式永磁同步電機(jī)也稱為永磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)，相對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)而言，其弱磁調(diào)速范圍小，功率密度低。該結(jié)構(gòu)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，并可望得到低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，適合用作汽車的電子伺服驅(qū)動(dòng)，如汽車電子動(dòng)力方向盤的伺服電機(jī)。
無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是當(dāng)前永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，將成為永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一，具有潛在的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速時(shí)常采用矢量控制，高速時(shí)用弱磁控制。
3.新一代牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
從20世紀(jì)80年代開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)世后，打破了傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)理論和正弦波電壓源供電方式；并隨著磁阻電機(jī)，永磁電機(jī)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)新的黃金時(shí)代；新的電機(jī)拓樸結(jié)構(gòu)與控制方式層出不究，推出了新一代機(jī)電一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迅猛發(fā)展。高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調(diào)速牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已成為各國(guó)研究和開(kāi)發(fā)的主要熱點(diǎn)之一。
SRD開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合于高速運(yùn)行，并且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單成本低、性能可靠，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限控制。這些特點(diǎn)使SRD開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很適合電動(dòng)車輛的各種工況下運(yùn)行，是電動(dòng)車輛中極具有潛力的機(jī)種。SRD的最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，噪聲大；此外，相對(duì)永磁電機(jī)而言，功率密度和效率偏低；另一個(gè)缺點(diǎn)是要使用位置傳感器，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低了可靠性。因此無(wú)傳感器的SRD也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。
永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)也稱為雙凸極永磁電機(jī)，永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、盤式軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和環(huán)形橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。該電機(jī)在磁阻轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了永磁轉(zhuǎn)矩，永磁轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機(jī)的功率密度和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以利于它在電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。
轉(zhuǎn)子磁極分割型混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)同步電機(jī)這一概念一提出就引起國(guó)際電工界和各大汽車公司研發(fā)中心的極大關(guān)注。轉(zhuǎn)子磁極分割型混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)同步電機(jī)具有磁場(chǎng)控制能力，類似直流電機(jī)的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合電動(dòng)車輛牽引電機(jī)低速大力矩和恒功率寬調(diào)速的需求。目前該電機(jī)的研究處于探索階段，電機(jī)的機(jī)理和設(shè)計(jì)理論有待于進(jìn)一步深入研究與完善，作為假選的電動(dòng)車輛牽引電機(jī)具有較強(qiáng)的潛在的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
此外，正在研發(fā)的熱點(diǎn)課題還有：
具有磁場(chǎng)控制能力的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；
車輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；
動(dòng)力傳動(dòng)一體化部件（電機(jī)、減速齒輪、傳動(dòng)軸）；
雙饋電異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和雙饋電永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
4.下一代汽車電子伺服系統(tǒng)及其車用伺服電機(jī)
1993年美國(guó)能源部、商務(wù)部、貿(mào)易部、國(guó)防部、環(huán)保局、宇航局、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)七個(gè)政府部門下美國(guó)三個(gè)最大的汽車制造公司，克萊斯勒、福特和通用，建立了新一代車輛伙伴關(guān)系（PNGV，PartnershipforaNewGenerationofVehicles），目標(biāo)是開(kāi)發(fā)新一代機(jī)動(dòng)車技術(shù)，以增強(qiáng)美國(guó)汽車工業(yè)的實(shí)力。1998年至2002年期間，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（NSF）資助美國(guó)國(guó)家電力電子中心（由美國(guó)Virginia和美國(guó)Wisconsin等四所大學(xué)組建）研發(fā)車輛電子動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電子伺服控制系統(tǒng)和各種車輛專用IC模塊，提高汽車電子電氣部件的可靠性，降低其成本和搶占車輛電氣自動(dòng)化技術(shù)的制高點(diǎn)，增強(qiáng)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。線控的汽車電子伺服系統(tǒng)（X-by-wire）在未來(lái)將是十分重要的技術(shù)，該技術(shù)可將各種獨(dú)立的系統(tǒng)（如轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、懸掛等）集成到一起由計(jì)算機(jī)調(diào)控，使汽車的操縱性、安全性以及汽車的總體結(jié)構(gòu)大大改善，設(shè)計(jì)的靈活度也大大增加。目前，電子動(dòng)力方向盤和線控剎車已經(jīng)在一些歐洲車型上被采用，在這個(gè)系統(tǒng)中已經(jīng)削減了相當(dāng)多的機(jī)械部件，如液壓泵等。汽車電子伺服技術(shù)是具有革命性的技術(shù)，隨著這個(gè)技術(shù)的使用，許多傳統(tǒng)的機(jī)械部件將會(huì)在未來(lái)的汽車上消失，而越來(lái)越多的車用伺服電機(jī)將出現(xiàn)在未來(lái)的汽車上。
全球最大的汽車零部件企業(yè)一美國(guó)德?tīng)柛Ｆ囅到y(tǒng)公司預(yù)計(jì)，在未來(lái)的3-5年內(nèi)全世界的汽車將逐步采用電子伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如電子動(dòng)力方向盤和線控剎車伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前，美國(guó)德?tīng)柛Ｆ囅到y(tǒng)公司正在全球范圍內(nèi)尋找年產(chǎn)300萬(wàn)臺(tái)以上的電子動(dòng)力方向盤的交流伺服電機(jī)合作伙伴。
（轉(zhuǎn)載）
