《新能源汽车技术概论》系列文章：
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于它的电机驱动系统的性能。
5. 5 开关磁阻电机
开关磁阻电机是一种典型的机电一体化电动机，又称开关磁阻电机驱动系统，这种电机主要由开关磁阻电机本体、电力电子功率变换器、转子位置传感器以及控制器四部分组成诞生之初，一直被认为是一种性能不高的电机，然而随着现代大功率半导体开关器件和现代控制技术的发展，通过近 20年的研究及改进，其性能已经得到了很大的提高，才使得开关磁阻电动机驱动技术以高效率、高可靠性、具有软起动特性的调速传动技术面貌出现。开关磁阻电机具有结构简单、转子转动惯量小、成本低、动态响应快等优点。其容量可设计成几瓦到几兆瓦。系统的调速范围也较宽，既可以在低速下运行，也可以在高速场合下运行(最高转速可达 15000r/min)。除此之外，开关磁阻电机在运行效率、可靠性等方面均优于感应电机和同步电机，可以在散热条件差、存在化学污染的环境下运行，并且控制简单，这使其在家用电器、伺服与调速系统、驱动电机、高转速电机、电动汽车、航空航天等领域得到了应用。
5.5. 1 开关磁阻电机的结构原理
图5-40为开关磁阻电机本体，定子、转子均由普通硅钢片叠压而成的双凸极结构，转子中没有绕组，装有位置传感器。定子装有简单的集中绕组，一般径向相对的两个绕组串联形成一对磁极，称为一相。
开关磁阻电机可以设计成多种不同的相数结构， 且定转子的极数有多种不同的搭配。其相数越多， 步距角越小， 利于减小转矩脉动，但结构复杂， 且主开关器件多， 成本高。由于三相以下的开关磁阻电机尤自起动能力， 目前应用较多的是三相(6/4)结构及四相(8/6)结构， 如图5-41所示。
开关磁阻电机的结构和工作原理与传统的交、直流电机存在着根本的区别，它不像传统电机那样依靠定子、转子绕组电流产生磁场间的相互作用形成转矩而是遵循“磁阻最小原理”--磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合的原理工作的。图 5-42 为一四相(8/6)开关磁阻电机的工作原理图，其供电电路只画出了一相。
它是由有绕组的8极定子和无绕组的6极转子构成，当沿径向相对的2个定子极通以直流电，形成一个磁场。该磁场使对应的一对转子磁极受力旋转与定子磁极中心线重合，开关磁阻电动机的运行原理遵循磁阻最小原理”--磁通总要沿着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。当定子 D-D极励磁时，所产生的磁力使转子旋转到转子轴线 1-1'与定子极轴线 D-D'重合的位置，并使D相励磁组的电感最大。若依次给 D-A-B-C相绕组通电，转子会按励磁顺序以逆时针方向连续旋转;反之，若依次给B-A-D-C相通电，则电机即会沿顺时针方向转动。通过控制加到开关磁阻电机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置，即可控制开关磁阻电机转矩的大小与方向。
5.5.2 开关磁阻电机的驱动系统
开关磁阻电机驱动系统(SRD)主要由SR电机、功率变换器、控制器和检测器四部分所组成， 如图5-43所示。
SR电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件。图5-42所示为典型SR电机的结构原理图。SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相或更多相结构；按电机的结构要求也可制成径向式、轴向式或盘式电机， 即定子、转子间的气隙可以是径向气隙、轴向气隙或轴向、径向混合气隙结构；并且还有外定子内转子和内定子外转子（即如轮载式电机）结构。目前应用较多的是三相6/4极、三相12/8极和四相8/6极结构，如图5-44所示。
功率变换器是 SRD系统能量传输的关键部分，是影响系统性能与其成本的主要因素。它起着控制电机绕组与直流电源接通与关断的作用，开关磁阻电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数及主开关器件的种类有关。在整个控制系统成本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换器是提高开关磁阻电机控制系统的性能价格比的关键之一，图 5-45 为三相开关磁阻电机的一种常用的功率变换器主电路。
图中 A、B、C为电机相绕组，VT1-VT6。为各相的可控开关品体管，VD1-VD6。为续流二极管控制器通过位置传感器检测的转子位置信息，速度、电流等反馈信息和转速等给定信息，通过分析处理，向功率变换器发出命令，实现对电机运行状态的控制。
控制器一般由单片机及外围接口电路等组成，与控制性能要求关系很大。控制器是综合处理位置检测、电流检测所提供的电动机转子位置、速度和电流等反馈信息以及外部输入的控制指令，实现对 SR 电机运行状态的控制，是 SRD 系统的指挥中枢。位置传感器向控制器提供转子的位置信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。采用的位置检测器与前述永磁无刷电机所用的类同，只不过其检测角度需与电机转子的凸极数及其极距角相对应。转子位置传感器有霍尔式、 电磁式、 光电式和磁敏式多种， 常设在电动机的非输出端，如图5-46所示。
光电式位置检测器由齿盘和光电传感器组成。齿盘截面和转子截面相同， 装在转子上光电传感器装在定子上。当磁盘随转子转动时， 光电传感器检测到转子齿的位置信号。
位置传感器的引入增加了开关磁阻电机结构的复杂性，影响了其可靠性， 因此人们正致力于研究无传感器方案， 采用无 位置传感器的位置检测方法是SRD的发展方向， 它利用电动机绕组电感随转子位置变化的规律， 通过测量非导通绕组电感来推断转子的位置， 这对降低系统成本、提高系统可靠性有着重要的意义。
5.5.3 开关磁阻电机的特点
开关磁阻电机的优点如图 5-47 所示
1)磁阻电机结构简单，成本低。开关磁阻电机的结构通常比较简单，其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有笼型感应电机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题。其转子机械强度极高:可以用于超高速运转。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘容易。
2)功率电路简单可靠。因为电机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关，并且每个功率开关元件均直接与电机绕组相串联，从根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻电机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，又提高了工作可靠性。
3)各相可以独立工作，可靠性高。从电机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定转角范围内产生电磁转矩，而不像在一般电机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电机除总输出功率能力有所减小外，并无其他问题。因此该系统可靠性极高，可以适用于字航、电动汽车等使用。
4)起动电流小，转矩大。低起动电流控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是磁阻电机的一大特点。因此开关磁阻电机很适合电动车辆等需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。
5)适用于频繁起、停及正、反向转换运行。开关磁阻电机具有低起动电流、高起动转矩的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电机和控制器发热较连续额定运行时还小，可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电机的主要运行参数有相开通角、相关断角、相电流幅值及相绕组电压等。因而可控参数多，控制灵活方便。根据对电机的运行要求和电机的情况，可采用不同控制方法和参数值，使之运行于最佳状态。还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。如使电机具有完全相同的四象限运行(即正转、反转、电动、制动)能力，并具有高起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。
6)损耗小，效率高。因为开关磁阻电动机的转子不存在绕组铜损，加上可控参数多灵活方便，故易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。其效率在很宽范围内都在87%以下。
7)易于回收利用。定子和转子材料使用磁铁，都是常见硅钢片，因而，材料容易得到且回收利用容易。
8)高温运转性能好。由于运转时转子不发热，冷却控制比较容易，可以在高温下运转。
开关磁阻电机的缺点如图5-48所示。
①转矩有脉动现象。开关磁阻电机的磁场是跳跃性旋转的，使得开关磁阻电机输出的转速与转矩产生脉动现象。
②振动与噪声。开关磁阻电机的转速与转矩有脉动现象，加上单边磁拉力的作用，因此一般开关磁阻电机产生的振动与噪声比其他类型的电机大。
③控制系统复杂。开关磁阻电机必须安装位置检测器和电流检测器等总成，因此引线比其他电机要多，控制和接线变得更复杂。
④)脉冲电流对供电电源有影响。开关磁阻电机的相电流是脉冲电流，这就会对为它供电的直流电源产生很大的脉冲电流。
近年来，电动汽车电机驱动系统主要是开发系列化的交流异步电机驱动系统、永磁无刷电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统，与原来的直流有刷电机驱动系统相比，以上驱动系统具有明显优势，其突出优点是体积小、质量轻、调速范围广、可靠性高。目前，美国的汽车公司大多采用高速、高效的交流异步电机驱动系统，日本的汽车公司基本上采用永磁同步电机驱动系统。我国电动轿车多采用永磁同步电机驱动系统，公交车多采用交流电机。与工业电动机一样，电动汽车用电机也已经从直流逐渐过渡到交流，直流电机的使用越来越少。大功率的永磁无刷直流电机技术还不是很成熟。开关磁阻电机也由于振动、噪声转矩波动大等问题还未大规模地使用。
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
