传统汽车的动力来源于发动机， 电动汽车以电机驱动系统代替了发动机作为动力来源，电动汽车中的燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车都需要使用电机来驱动车轮行驶。选择合适的电机是提高各类电动汽车性价比的重要途径， 因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求， 并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的驱动电机显得极其重要。这也是提高电动汽车性价比而使其尽快普及应用、搞好节能减排工作的有效途径。电动汽车的动力性能取决千它的电机驱动系统的性能。
5.4 永磁电机
旋转电机在实现机电能量转换的过程中必须有磁场。前述直流和交流两种电机都是通过线圈励磁产生电磁场的。对于直流电机和励磁的交流同步电机来说，这种励磁功率全部以损耗的形式消耗在电机中，直接影响电机的总效率。而且需要有磁极、线圈、集电环及电刷等专供励磁的装置，这些装置容易磨损，可靠性难以提高。而对于异步电机，靠定子中通以无功电流产生磁场，功率因数较低。设法用各种永磁材料来替代各种电机的电磁场装置，所制成的电机即为永磁电机。
5. 4. 1 永磁电机的概念和分类
随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机得以迅速推广运用。永磁电机就是采用永磁材料来替代传统电机的励磁绕组（或转子绕组） 的电机。
永磁电机分为永磁直流电机和永磁交流同步电机两种。如果将直流电机的直流励磁绕组 用永久磁铁代替，该电机就称为永磁直流电机。为了克服磁通量不变的缺点，又在其永磁定 子中嵌入了激励磁场的电磁绕组，称为永磁复合式电机，它的特点是既有永磁体又有励磁绕组。
对于交流异步电机，若采用永磁体取代其笼型感应转子，则相应的异步电机就称为永磁同步电机。为了克服磁通量不变的缺点，又在其转子中嵌入了异步电机的笼型电磁绕组，称为永磁复合式电机，它的特点是既有永磁体又有笼型绕组。
永磁直流电机又分永磁有刷直流电机和永磁无刷直流电机。永磁有刷直流电机广泛应用 于小型电器之中。由于电刷和换向器的存在，永磁有刷直流电机存在维修、制造等方面都比永磁无刷直流电机复杂；在应用中的换向火花、机械噪声等也使它难以在恶劣的环境下使 用。而永磁无刷直流电机由于没有电刷，弥补了永磁直流电机和传统直流电机的缺陷。因此永磁无刷直流电机越来越多地被应用在伺服系统、数控机床、变频空调以及电动汽车中。
5. 4. 2 永磁电机的特点
永磁电机的性能优劣与永磁材料密切相关。这种永磁材料属于铁磁材料，目前用在永磁电机上的永磁材料有铁氧体、铝铢钻、衫钻、钦铁绷等几种。
铁氧体价格低廉，是常用的永磁材料。铁氧体的磁能积低，用铁氧体制造的电机体积较大。
铝钴钻材料剩磁高，但矫顽力低，抗去磁能力低，寿命短，电动机中采用较少。
衫钴(Sm-Co)材料剩磁和矫顽力都很高，美中不足的是资源不多，价格昂贵，限制了应用。
钦铁绷(Nd-Fe-B)材料具有很高的剩磁、矫顽力、磁能积以及相对低的价格，是目前最合适的永磁材料。我国有丰富的钦铁绷材料－稀土金属。所谓稀土金属，是指化学元素周期表中铡系元素族中的17种元素，表现为金属特征，多以化合物形式蕴藏于自然界。稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来替代传统电机的电励磁场所制成的稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠、体积小、重量轻。既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能（如特高效、特高速、特高响应速度），又可以制成能满足特定运行要求的特种电机，如电梯曳引电机、汽车专用驱动电机等。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合，更使电机及传动系统的性能提高到一个崭新的水平。
我国稀土资源丰富，占世界已探明资源的80%，而且品种多、质量高，为大力开发稀土材料的应用提供了得天独厚的条件。2002年，我国成立了国家稀土永磁电机工程技术中心。该中心做了大量理论研究工作，在稀土永磁电动机分析理论、电磁场计算方法、优化设计和性能仿真等基础理论研究上取得了巨大突破。在理论联系实际方面，解决了磁路结构、测试技术和制造工艺等一系列关键技术问题，开发出国内第一 台稀土永磁电机(3kW、 20000r/min)，研制出世界容量最大的60 ~ 160kW 稀土永磁复励磁机。紧随其后开发出了多品种多规格永磁电动机及电动客车用永磁同步电机系统等。
5.4.3 永磁无刷直流电机
1、基本原理
直流电机具有洞速性能好、控制方便、运行效率高等优点，曾在调速驱动领域中起着重要作用。但由于采用电刷机械方式换向，不可避免地存在由机械摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弊端，从而极大地限制了其应用范围。随着电子传感器技术的发展，采用电子换向替代机械换向，加之高性能永磁材料的发展，永磁无刷直流电机相继出现，使得直流调速控制又重新获得新的生机。它保持了有刷直流电机的优良控制特性，而克服了其弊端，具有调速范围广、调速性能平滑、起动转矩大、易于控制、运行可靠、效率高、免维护、寿命长等优点。它与永磁有刷直流电机相比，采用了一种 “ 里翻外” 结构，即把电枢绕组置在定子上，使得其电损耗热量容易经机壳向外发散且便于温度检控；而转子采用永磁激励，无电励磁绕组，即免去向转子通电需经电刷的方式，且损耗和发热也就很小。对转子永磁体的极性通过位置传感器检测，控制定子电枢绕组的通电形式，是一种机电一体化结构的驱动控制电动机，其原理结构框图如图5-27所示。
2. 结构
永磁无刷直流电机主要由电机本体、转子位置传感器和驱动控制器（电子开关驱动电路）三部分组成。三相对称电枢绕组安放在定子上，转子上的电枢绕组用稀土永磁材料（衫钻、钦铁绷）取代。对于高速永磁无刷直流电机，还需要加装非磁性护环，其结构如图5-28所示。
(1)永磁无刷电机定子
永磁无刷电机定子绕组与同步电机或感应电机类同，如图5-29所示，以三相绕组为例可接成星形或三角形，并分别与驱动控制器的各功放管相连。主要电气参数、绕组形式与励磁式三相同步电机的定子绕组一样，通入交流电源即产生旋转磁场。
(2)永磁无刷电机转子
永磁无刷电机转子采用径向永久磁铁作磁极，如图5-30所示。在旋转磁场的作用下，转子将跟随旋转磁场同步旋转，旋转磁场的速度取决于电源频率。与三相交流电机的同步电机类似，永磁无刷电机可以产生理想的恒转矩。
为了充分利用和发挥永磁材料的特性， 通常采用具有矩形截面的条形永磁体将其粘贴在转子铁心表面或镶嵌在转子铁心中。根据永磁体在转子上安装位置的不同， 永磁无刷电机可分为表面式、内置式和镶嵌式等几种结构形式， 如图5-31所示。表面式电机的优点是结构简单。由于永磁体的磁导率接近空气的磁导率， 永磁无刷电机有较大的有效气隙， 电枢反应降低。内置式电机有较高的磁显性， 可产生额外的磁阻转矩分篮， 保持高速运行时的机械稳定性。镶嵌式电机的永磁体可以有多种镶嵌方式，其性能介于表面式和内置式的电机之间。
为适应电动汽车驱动车轮的需要， 其电机本体也可设计成外转子、内定子结构的轮载式电机形式， 其外转子直接驱动车轮， 内定子绕组的出线和位置传感器引线从电动机轴即车轮轴引出。目前这种永磁无刷直流轮载式电机在电动自行车上已使用得相当普遍。
(3)转子位置传感器
位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为驱动控制器的逻辑开关电路提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器两种检测方式。无位置传感器的控制思路是通过检测和计算与转子位置有关的物理量来间接获得转子的位置信 息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。由于省去了位置传感器，对电机的体积、成本、可靠性等都有好处，正在引起相应的重视，目前处于研究开发阶段。
如图5-32所示， 转子位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用， 为逻辑开关电路提供正确的换相信息， 即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号， 然后去控制定子绕组换相。转子位置传感器常用的有电磁式、光电式、磁敏式等。
(4) 驱动控制器（电子开关驱动电路）
永磁无刷直流电机的驱动控制按其定子绕组相数的多少，控制驱动线路的复杂程度大不相同，其驱动功率放大管的数量也随之增减。具体对千三相绕组直流无刷电机有三相半控和三相全控两种电路，而三相全控电路又有星形和三角形两种联结方式，每种联结又各有两两通电和三三通电的方式。对无刷直流电机的驱动控制实际上就是按其通电方式的要求顺序和位置检测信号来适时导通功放管，其通断顺序的逻辑控制完全类似于步进电机或开关磁阻电动机的脉冲分配器。
如图5-32所示，永磁无刷直流电机的定子绕组是由电子开关驱动电路中的 “外部换向器（逆变器）接到直流电源上的，可以把它归为直流电机的一种。从逆变器的角度来看， 永磁无刷直流电机电枢绕组中的电流变化是靠电子开关驱动电路来完成的，其频率与转速变化一致，因此它又属于永磁同步电机的一种。它和正弦永磁同步电机的主要区别在于：无刷直流电机电枢绕组中流过的电流以方波形式变化，故又称为方波交流永磁电机。因此其工作原理与永磁同步电机相同。
3. 永磁无刷电机的转动原理
由图5-29a可知， 当定子的A、B、C相按时序分别通一电流时，定子A、B、C相的磁场就会按一定方向旋转，因此永久磁铁就可旋转。常见的永磁无刷电动机的定子为三相对称绕组（图5-29b)，与三相异步电机的结构相同。转子上有稀土永磁铁。驱动器为交—直—交电压型变换器，通过正弦波脉宽调制(PWM)，输出频率为f电压可变的三相正弦波电压。三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场的转速n1 =2,rf/p (p为磁极对数），这个旋转磁场与永磁体转子作用带动转子与旋转磁场同步旋转，并力图使定子、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线落后定子磁场轴线一个功率角0, 功率角0与负载成正比，负载越大功率角就越大，直到功率角大到足以使转子停止不转动为止。由此看出，永磁无刷电机在运行时，其转速必须与频率严格成比例旋转，否则就会失步停转。因此，永磁无刷电机的转速与旋转磁场同步，其静态误差为零。在负载扰动下，只是功率角在变化，而转速不变，响应时间是实时的，这是永磁无刷电机的运行特点。但当功率角处于某一特定值时，电机会因失步而停转。因此，该电机不适合在重负载情况下使用，也不易快速起动。
4. 永磁无刷直流电机的驱动过程
如图5-32所示，三相两极无刷直流电机的三相定子A、B、C绕组分别与电子开关驱动电路中相应的功率晶体管VT1 、VT2、V3相连接。位置传感器的跟踪转子与电机转轴相连接。
当定子绕组的某一相通电时、该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转、再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由千电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的、因而其起到了机械换向器的换向作用。
永磁无刷直流电机半控桥电路的原理如图5-33所示。此图采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管VT1 、VT2、V兀构成功率逻辑单元。三只光电器件VP1 、VP2 和VP3的安装位置各相差120° ,均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线依次照射在 十各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。
当转子位于图5-34a所示的位置时， 电此时光电器件VP1 被光照射，从而使功率晶体管VT1 ,呈导通状态，电流流入绕组A-A'，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图5-34a中箭头方向转动。当转子磁极转到图5-34b所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板亦随着同步转动，并遮住VP1而使VP2 受光照射，从而使晶体管VT1 截止、 晶体管V飞导通，绕组A-A'断开，电流流入绕组B-B'，使得转子磁极继续朝箭头方向转动。当转子磁极转到图5-34c所示的位置时，此时旋转遮光板已经遮住VP2 ,使VP3 被光照射，导致晶体管V飞截止、 晶体管V兀导通，因而电流流入绕组C-C，C'，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图5-34a的位置。
这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器 VP、VP,和 VP,的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在 360°电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续 120°电角度。各相绕组电流与电动机转子磁场相互关系如图 5-34 所示。图 5-34a为第一种状态，F,为绕组 A-A'通电后所产生的磁动势。显然绕组电流与转子磁场的相互作用使转子沿顺时针方向旋转;转过 120°电角度后，便进入第种状态，这时绕组 A-A'断电，而B-B'随之通电，即定子终组所产生的磁场转过了120°。如图 5-34b 所示，电动机定子继续沿顺时针方向旋转:再转 120°电角度，便进入第三种状态，这时绕组 B-B'断电、C-C'通电，定子绕组所产生的磁场又转过 120°电角度，如图 5-34c 所示;转子沿顺时针方向再转过 120°电角度后就恢复到初始状态。三相两极无刷直流电动机各相绕组导通时序如图 5-35 所示。
5. 永磁无刷直流电机的特性
经过弱磁调速后，永磁无刷电机可以实现恒功率调速，其特性曲线如图5-36所示。永磁无刷直流电机机械特性与三相交流感应电机相类似。
5.4. 4 永磁同步电机
永磁同步电机和永磁无刷直流电机两者最主要的区别在于永磁体励磁磁场在定子相绕组中感应出的电动势波形。永磁同步电机每相感应出的电动势波形为正弦波， 而永磁无刷直流电机为梯形波，如图5-37所示。
1. 永磁同步电机的原理与结构
永磁同步电机的原理与交流同步电机类同， 只不过用永磁体转子代替了交流同步电机转子的电励磁， 参考前述三相交流感应电机的工作原理， 当三相定子绕组通入三相对称正弦波交流电时，所产生的旋转磁场磁极与转子的异性磁极间形成的磁拉力就会牵引转子与旋转磁场同步旋转。因此永磁同步电机的定子结构也与交流同步电机相同， 其绕组通常也为三相式；转子通常采用径向永久磁铁做成磁极， 其结构如图5-38所示。
根据永磁体在转子上的安装位置不同， 永磁同步电机同样可分为表面式和内置式。永磁同步电机的驱动控制电路与交流感应电机类同， 为获得较好的控制特性， 要求利用复杂的矢量控制技术， 并采用调频兼调压的方式来实现恒转矩或恒功率调速， 而转速与同步转速n。
绝对同步。其变频器同样有交一型、交直一交型和直一交型三类， 对于直流电源需先通过DC/DC变换器获得电压可调的直流源后，再采用脉冲宽度调制(PWM)逆变器来完成。
2.永磁同步电机的特点
永磁无刷直流电机采用矩形波控制，换相次数也不会像有刷直流电机那样多，因此在换相时总会产生一定的转矩脉动，而采用正弦波电流驱动的永磁同步电机即可克服该缺点。它与电励磁同步电机相比，采用永磁体而不需要励磁功率，使得电动机转子的无功损耗和铁损耗都省去，因此其功率因数明显提高，损耗减小，具有高效节能之特点图5-39所示为永磁同步电机与其他电机的效率比较，其一般效率达到95%以上，比Y系列异步电机效率提高10%~15%，功率因数可达0.95~0.99，系统综合节电明显。由于永磁同步电机的转速与电源频率同步，其调速精度极高，不受电源电压和负载的波动而变化。在任何情况下， 永磁同步电机的转速与同步转速的误差不大于0. 25r/min, 若大于0. Sr/min, 电机就将进入失步状态， 由此也说明永磁同步电机的过载能力不是很强。另外其驱动控制电路要比永磁无刷直流电机所需的复杂多， 其成本也要高得多。
本文摘编自《新能源汽车技术概论》，机械工业出版社出版，经出版方授权发布。
本书可作为汽车工程类应用型本科及高职高专院校的教材；也可作为汽车工程技术人员、新能源汽车培训教师参考用书；同时适合广大对新能源汽车技术关注的社会人士阅读。
本书由厦门大学嘉庚学院李艳菲、郑伟编著。
来源：汽车测试网
作者：李艳菲、郑伟编著
