- 新能源汽车四种常用电机驱动系统详解

3、永磁无刷电动机在新能源汽车中的应用

随着近些年来电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料、传感器技术与电机控制理论的快速发展，使得交流驱动技术逐渐成熟。

相比于现有串励或者并励有刷直流电机驱动系统，永磁无刷电机拥有功率密度大、体积小、效率高、结构简单牢固、易于维护等优点，且采用永磁无刷电机作为驱动元件的电动汽车驱动系统运行和维护成本较低；采用全数字化和模块化结构设计，使得驱动器接口灵活，控制能力更强，操作更加舒适；应用能量回馈制动技术，可以减少刹车片的磨损，同时又增加汽车续驶里程。

因此，基于电动汽车市场发展需要和技术现状，设计开发可靠、低成本、性能优良的全数字化电动汽车永磁无刷电机驱动系统，对于电动汽车产业的发展有着重要的现实意义。

(1)永磁同步电动机简介

在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生磁场，这种方法既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动，例如普通的直流电机和同步电机。另一种是由永磁体来产生磁场，这种方法既可简化电机结构，又可节约能量。由永磁体产生磁场的电机就是永磁电机。

它利用永磁体建立励磁磁场的同步电动机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。

(2)永磁同步电动机的特点

永磁同步电动机有以下优点：功率因数大，效率高，功率密度大；结构简单、便于维护，使用寿命较长、可靠性高；调速性能好，精度高；具有良好的瞬时特性，转动惯量低，响应速度快；频率高，输出转矩大，极限转速和制动性能优于其他类型的电机；采用电子功率器件作为换向装置，驱动灵活，可控性强；形状和尺寸灵活多样，便于进行外形设计；采用稀土永磁材料后电机的体积小、质量轻。

但是永磁同步电动机也有以下缺点：电机造价较高；在恒功率模式下，操纵较为复杂，控制系统成本较高；弱磁能力差，调速范围有限；功率范围较小，受磁材料工艺的影响和限制，最大功率仅为几十千瓦；低速时额定电流较大，损耗大，效率较低；永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁材料磁场不可变，要想增大电机的功率，其体积会很大；抗腐蚀性差；不易装配。

(3)永磁电机作为驱动电机的优越性

①转矩、功率密度大、起动力矩大。永磁电机气隙磁密度可大大提高，电机指标可实现最佳设计，使得电机体积缩小、重量减轻，同容量的稀土永磁电机体积、重量、所用材料可以减轻30%左右。永磁驱动电机起动转矩大，在汽车启动时能提供有效地启动转矩，满足汽车的运行需求。

②力能指标好。Y系列电机在60%的负荷下工作时,效率下降15%,功率因数下降30%，力能指标下降40%。而永磁电机的效率和功率因数下降甚微,当电机只有20%负荷时,其力能指标仍为满负荷的80%以上。同时永磁无刷同步电机的恒转矩区比较长,一直延伸到电机最高转速的50%左右,这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助。

③高效节能。在转子上嵌入稀土永磁材料后,在正常工作时转子与定子磁场同步运行,转子绕组无感生电流,不存在转子电阻和磁滞损耗,提高了电机效率。永磁电机不但可减小电阻损耗,还能有效地提高功率因数。如在25%-120%额定负载范围内永磁同步电机均可保持较高的效率和功率因素。

④结构简单、可靠性高。用永磁材料励磁,可将原励磁电机中励磁线圈由一块或多块永磁体替代,零部件大量减少,在结构上大大简化，改善了电机的工艺性,而且电机运行的机械可靠性大为增强,寿命增加。转子绕组中不存在电阻损耗,定子绕组中几乎不存在无功电流，电机温升低,这样也可以使整车冷却系统的负荷降低,进一步提高整车运行的效率。

(4)永磁同步电机的控制系统

永磁电机的控制技术与感应电机类似，控制策略上主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步电机低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等；而在高速运行时，永磁同步电机通常采用弱磁控制。

(5)永磁电机应用现状

稀土永磁电机的设计理论、计算方法、检测技术和制造工艺正不断地完善和发展,永磁材料的性能和可靠性正不断地提高。电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展也对永磁驱动电机的发展起到了积极的促进作用。随着未来混合动力汽车和纯电动汽车的快速发展,永磁驱动电机将迎来一个更为快速发展的时期,其发展趋势也将呈现以下特点:高功率密度、高转矩密度、高可控性、高效率、高性能、高价格比等,以满足混合动力汽车和纯电动汽车的实际需求。

4、开关磁阻电动机在新能源汽车中的应用

(1)开关磁阻电动机简介

开关磁阻电动机(SwitchedReluctanceDrive：SRD)是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。

开关磁阻电机覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动调速系统。使的开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用(电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域)。

开关磁阻电动机工作原理：开关磁阻电动机的运行遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿磁阻最小的路径闭合。而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。

(2)开关磁阻电机特点

它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。因而可靠性好，转速可达15000r/min。效率可达85%～93%呢，比交流感应电动机要高。损耗主要在定子，电机易于冷却；转子元永磁体，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性，而且在很广的范围内保持高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。

开关磁阻电机还具有在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象运行、响应速度快、成本较低等优点。工艺性好，适用于高速，环境适应性强；电机转矩的方向与绕组电流的方向无关；适用于频繁启停以及正反向转换运行；启动电流小，转矩大；可控参数多，调速性能好；具有较强的再生制动能力；定子和转子的材料均采用硅钢片，易于获取和回收利用。

但开关磁阻电机有转矩波动大、需要位置检测器、系统非线性特性，磁场为跳跃性旋转，控制系统复杂；对直流电源会产生很大的脉冲电流等缺点。位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。

但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。

(3)开关磁阻电动机的控制系统

开关磁阻电动机驱动系统的核心是开关磁阻电动机(SRM)，它涉及到电动机，电力电子，微机，控制，光电转换，角度测量等等多学科知识，结构比较复杂，控制系统要求也比较独特，感应电动机和永磁同步电动机的控制方法通常难以满足系统的控制要求。目前电动汽车应用较少。它的主要研究方向是模型研究。

由于开关磁阻电机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电机系统。目前主要利用模糊逻辑控制、神经网络控制等。

它的控制系统包括功率变换器、控制器和位置传感器及速度检测器等部分。

①功率变换器

开关磁阻电动机的励磁绕组，无论通过正向电流或反向电流，其转矩方向不变，期换向，每相只需要一个容量较小的功率开关管，功率变换器电路较简单，不会出现直通故障，可靠性好，易于实现系统的软启动和四象限运行，具有较强的再生制动能力。成本比交流三相感应电动机的逆变器控制系统要低。

②控制器

控制器由微处理器、数字逻辑电路等元件组成。微处理器根据驾驶员输入的命令，同时对位置检测器、电流检测器所反馈的电动机转子位置，进行分析、处理，并在瞬间做出决策，发出一系列执行命令，来控制开关磁阻电动机适应电动汽车不同条件下运行。控制器性能好坏和调节的灵活性，取决于微处理器的软件和硬件的性能配合关系。

③位置检测器

开关磁阻电动机需要高精度的位置检测器，来为控制系统提供电动机转子的位置、转速和电流的变化信号，并要求有较高的开关频率以降低开关磁阻电动机的噪声。