3、永磁無刷電動機在新能源汽車中的應用

隨著近些年來電力電子技術、微電子技術、微型計算機技術、稀土永磁材料、傳感器技術與電機控制理論的快速發展，使得交流驅動技術逐漸成熟。

相比于現有串勵或者并勵有刷直流電機驅動系統，永磁無刷電機擁有功率密度大、體積小、效率高、結構簡單牢固、易于維護等優點，且采用永磁無刷電機作為驅動元件的電動汽車驅動系統運行和維護成本較低；采用全數字化和模塊化結構設計，使得驅動器接口靈活，控制能力更強，操作更加舒適；應用能量回饋制動技術，可以減少剎車片的磨損，同時又增加汽車續駛里程。

因此，基于電動汽車市場發展需要和技術現狀，設計開發可靠、低成本、性能優良的全數字化電動汽車永磁無刷電機驅動系統，對于電動汽車產業的發展有著重要的現實意義。

(1)永磁同步電動機簡介

在電機內建立進行機電能量轉換所必需的氣隙磁場有兩種方法。一種是在電機繞組內通電流產生磁場，這種方法既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動，例如普通的直流電機和同步電機。另一種是由永磁體來產生磁場，這種方法既可簡化電機結構，又可節約能量。由永磁體產生磁場的電機就是永磁電機。

它利用永磁體建立勵磁磁場的同步電動機，其定子產生旋轉磁場，轉子用永磁材料制成。同步發電機為了實現能量的轉換，需要有一個直流磁場而產生這個磁場的直流電流，稱為發電機的勵磁電流。根據勵磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵磁電流的發電機，稱為他勵發電機，從發電機本身獲得勵磁電源的，則稱為自勵發電機。

(2)永磁同步電動機的特點

永磁同步電動機有以下優點：功率因數大，效率高，功率密度大；結構簡單、便于維護，使用壽命較長、可靠性高；調速性能好，精度高；具有良好的瞬時特性，轉動慣量低，響應速度快；頻率高，輸出轉矩大，極限轉速和制動性能優于其他類型的電機；采用電子功率器件作為換向裝置，驅動靈活，可控性強；形狀和尺寸靈活多樣，便于進行外形設計；采用稀土永磁材料后電機的體積小、質量輕。

但是永磁同步電動機也有以下缺點：電機造價較高；在恒功率模式下，操縱較為復雜，控制系統成本較高；弱磁能力差，調速范圍有限；功率范圍較小，受磁材料工藝的影響和限制，最大功率僅為幾十千瓦；低速時額定電流較大，損耗大，效率較低；永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發生退磁現象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發生過載。永磁材料磁場不可變，要想增大電機的功率，其體積會很大；抗腐蝕性差；不易裝配。

(3)永磁電機作為驅動電機的優越性

①轉矩、功率密度大、起動力矩大。永磁電機氣隙磁密度可大大提高，電機指標可實現最佳設計，使得電機體積縮小、重量減輕，同容量的稀土永磁電機體積、重量、所用材料可以減輕30%左右。永磁驅動電機起動轉矩大，在汽車啟動時能提供有效地啟動轉矩，滿足汽車的運行需求。

②力能指標好。Y系列電機在60%的負荷下工作時,效率下降15%,功率因數下降30%，力能指標下降40%。而永磁電機的效率和功率因數下降甚微,當電機只有20%負荷時,其力能指標仍為滿負荷的80%以上。同時永磁無刷同步電機的恒轉矩區比較長,一直延伸到電機最高轉速的50%左右,這對提高汽車的低速動力性能有很大幫助。

③高效節能。在轉子上嵌入稀土永磁材料后,在正常工作時轉子與定子磁場同步運行,轉子繞組無感生電流,不存在轉子電阻和磁滯損耗,提高了電機效率。永磁電機不但可減小電阻損耗,還能有效地提高功率因數。如在25%-120%額定負載范圍內永磁同步電機均可保持較高的效率和功率因素。

④結構簡單、可靠性高。用永磁材料勵磁,可將原勵磁電機中勵磁線圈由一塊或多塊永磁體替代,零部件大量減少,在結構上大大簡化，改善了電機的工藝性,而且電機運行的機械可靠性大為增強,壽命增加。轉子繞組中不存在電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無功電流，電機溫升低,這樣也可以使整車冷卻系統的負荷降低,進一步提高整車運行的效率。

(4)永磁同步電機的控制系統

永磁電機的控制技術與感應電機類似，控制策略上主要集中在提高低速轉矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步電機低速時常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向等；而在高速運行時，永磁同步電機通常采用弱磁控制。

(5)永磁電機應用現狀

稀土永磁電機的設計理論、計算方法、檢測技術和制造工藝正不斷地完善和發展,永磁材料的性能和可靠性正不斷地提高。電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的快速發展也對永磁驅動電機的發展起到了積極的促進作用。隨著未來混合動力汽車和純電動汽車的快速發展,永磁驅動電機將迎來一個更為快速發展的時期,其發展趨勢也將呈現以下特點:高功率密度、高轉矩密度、高可控性、高效率、高性能、高價格比等,以滿足混合動力汽車和純電動汽車的實際需求。

4、開關磁阻電動機在新能源汽車中的應用

(1)開關磁阻電動機簡介

開關磁阻電動機(SwitchedReluctanceDrive：SRD)是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之后發展起來的最新一代無級調速系統，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。它具有調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點。

開關磁阻電機覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅動調速系統。使的開關磁阻電機存在許多潛在的領域，在各種需要調速和高效率的場合均能得到廣泛使用(電動車驅動、通用工業、家用電器、紡織機械、電力傳動系統等各個領域)。

開關磁阻電動機工作原理：開關磁阻電動機的運行遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。

(2)開關磁阻電機特點

它的結構比其它任何一種電動機都要簡單，在電動機的轉子上沒有滑環、繞組和永磁體等，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的端部較短，沒有相間跨接線，維護修理容易。因而可靠性好，轉速可達15000r/min。效率可達85%～93%呢，比交流感應電動機要高。損耗主要在定子，電機易于冷卻；轉子元永磁體，易于實現各種特殊要求的轉矩一速度特性，而且在很廣的范圍內保持高效率。更加適合電動汽車動力性能要求。

開關磁阻電機還具有在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行、控制靈活、可四象運行、響應速度快、成本較低等優點。工藝性好，適用于高速，環境適應性強；電機轉矩的方向與繞組電流的方向無關；適用于頻繁啟停以及正反向轉換運行；啟動電流小，轉矩大；可控參數多，調速性能好；具有較強的再生制動能力；定子和轉子的材料均采用硅鋼片，易于獲取和回收利用。

但開關磁阻電機有轉矩波動大、需要位置檢測器、系統非線性特性，磁場為跳躍性旋轉，控制系統復雜；對直流電源會產生很大的脈沖電流等缺點。位置檢測器是開關磁阻電動機的關鍵器件，其性能對開關磁阻電動機的控制操作有重要影響。由于開關磁阻電動機為雙凸極結構，不可避免地存在轉矩波動，噪聲是開關磁阻電動機最主要的缺點。

但近年來的研究表明，采用合理的設計、制造和控制技術，開關磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關磁阻電動機輸出轉矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。

(3)開關磁阻電動機的控制系統

開關磁阻電動機驅動系統的核心是開關磁阻電動機(SRM)，它涉及到電動機，電力電子，微機，控制，光電轉換，角度測量等等多學科知識，結構比較復雜，控制系統要求也比較獨特，感應電動機和永磁同步電動機的控制方法通常難以滿足系統的控制要求。目前電動汽車應用較少。它的主要研究方向是模型研究。

由于開關磁阻電機具有明顯的非線性特性，系統難于建模，一般的線性控制方式不適于開關磁阻電機系統。目前主要利用模糊邏輯控制、神經網絡控制等。

它的控制系統包括功率變換器、控制器和位置傳感器及速度檢測器等部分。

①功率變換器

開關磁阻電動機的勵磁繞組，無論通過正向電流或反向電流，其轉矩方向不變，期換向，每相只需要一個容量較小的功率開關管，功率變換器電路較簡單，不會出現直通故障，可靠性好，易于實現系統的軟啟動和四象限運行，具有較強的再生制動能力。成本比交流三相感應電動機的逆變器控制系統要低。

②控制器

控制器由微處理器、數字邏輯電路等元件組成。微處理器根據駕駛員輸入的命令，同時對位置檢測器、電流檢測器所反饋的電動機轉子位置，進行分析、處理，并在瞬間做出決策，發出一系列執行命令，來控制開關磁阻電動機適應電動汽車不同條件下運行。控制器性能好壞和調節的靈活性，取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關系。

③位置檢測器

開關磁阻電動機需要高精度的位置檢測器，來為控制系統提供電動機轉子的位置、轉速和電流的變化信號，并要求有較高的開關頻率以降低開關磁阻電動機的噪聲。