傳統(tǒng)汽車的動力來源于發(fā)動機， 電動汽車以電機驅(qū)動系統(tǒng)代替了發(fā)動機作為動力來源，電動汽車中的燃料電池電動汽車、混合動力電動汽車和純電動汽車都需要使用電機來驅(qū)動車輪行駛。選擇合適的電機是提高各類電動汽車性價比的重要途徑， 因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求， 并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的驅(qū)動電機顯得極其重要。這也是提高電動汽車性價比而使其盡快普及應(yīng)用、搞好節(jié)能減排工作的有效途徑。電動汽車的動力性能取決千它的電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能。

5.4 永磁電機

旋轉(zhuǎn)電機在實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的過程中必須有磁場。前述直流和交流兩種電機都是通過線圈勵磁產(chǎn)生電磁場的。對于直流電機和勵磁的交流同步電機來說，這種勵磁功率全部以損耗的形式消耗在電機中，直接影響電機的總效率。而且需要有磁極、線圈、集電環(huán)及電刷等專供勵磁的裝置，這些裝置容易磨損，可靠性難以提高。而對于異步電機，靠定子中通以無功電流產(chǎn)生磁場，功率因數(shù)較低。設(shè)法用各種永磁材料來替代各種電機的電磁場裝置，所制成的電機即為永磁電機。

5. 4. 1 永磁電機的概念和分類

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電機得以迅速推廣運用。永磁電機就是采用永磁材料來替代傳統(tǒng)電機的勵磁繞組（或轉(zhuǎn)子繞組） 的電機。

永磁電機分為永磁直流電機和永磁交流同步電機兩種。如果將直流電機的直流勵磁繞組 用永久磁鐵代替，該電機就稱為永磁直流電機。為了克服磁通量不變的缺點，又在其永磁定 子中嵌入了激勵磁場的電磁繞組，稱為永磁復(fù)合式電機，它的特點是既有永磁體又有勵磁繞組。

對于交流異步電機，若采用永磁體取代其籠型感應(yīng)轉(zhuǎn)子，則相應(yīng)的異步電機就稱為永磁同步電機。為了克服磁通量不變的缺點，又在其轉(zhuǎn)子中嵌入了異步電機的籠型電磁繞組，稱為永磁復(fù)合式電機，它的特點是既有永磁體又有籠型繞組。

永磁直流電機又分永磁有刷直流電機和永磁無刷直流電機。永磁有刷直流電機廣泛應(yīng)用 于小型電器之中。由于電刷和換向器的存在，永磁有刷直流電機存在維修、制造等方面都比永磁無刷直流電機復(fù)雜；在應(yīng)用中的換向火花、機械噪聲等也使它難以在惡劣的環(huán)境下使 用。而永磁無刷直流電機由于沒有電刷，彌補了永磁直流電機和傳統(tǒng)直流電機的缺陷。因此永磁無刷直流電機越來越多地被應(yīng)用在伺服系統(tǒng)、數(shù)控機床、變頻空調(diào)以及電動汽車中。

5. 4. 2 永磁電機的特點

永磁電機的性能優(yōu)劣與永磁材料密切相關(guān)。這種永磁材料屬于鐵磁材料，目前用在永磁電機上的永磁材料有鐵氧體、鋁銖鉆、衫鉆、欽鐵繃等幾種。

鐵氧體價格低廉，是常用的永磁材料。鐵氧體的磁能積低，用鐵氧體制造的電機體積較大。

鋁鈷鉆材料剩磁高，但矯頑力低，抗去磁能力低，壽命短，電動機中采用較少。

衫鈷(Sm-Co)材料剩磁和矯頑力都很高，美中不足的是資源不多，價格昂貴，限制了應(yīng)用。

欽鐵繃(Nd-Fe-B)材料具有很高的剩磁、矯頑力、磁能積以及相對低的價格，是目前最合適的永磁材料。我國有豐富的欽鐵繃材料－稀土金屬。所謂稀土金屬，是指化學(xué)元素周期表中鍘系元素族中的17種元素，表現(xiàn)為金屬特征，多以化合物形式蘊藏于自然界。稀土永磁材料的磁性能優(yōu)異，它經(jīng)過充磁后不再需要外加能量就能建立很強的永久磁場，用來替代傳統(tǒng)電機的電勵磁場所制成的稀土永磁電機不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、重量輕。既可達(dá)到傳統(tǒng)電勵磁電機所無法比擬的高性能（如特高效、特高速、特高響應(yīng)速度），又可以制成能滿足特定運行要求的特種電機，如電梯曳引電機、汽車專用驅(qū)動電機等。稀土永磁電機與電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)相結(jié)合，更使電機及傳動系統(tǒng)的性能提高到一個嶄新的水平。

我國稀土資源豐富，占世界已探明資源的80%，而且品種多、質(zhì)量高，為大力開發(fā)稀土材料的應(yīng)用提供了得天獨厚的條件。2002年，我國成立了國家稀土永磁電機工程技術(shù)中心。該中心做了大量理論研究工作，在稀土永磁電動機分析理論、電磁場計算方法、優(yōu)化設(shè)計和性能仿真等基礎(chǔ)理論研究上取得了巨大突破。在理論聯(lián)系實際方面，解決了磁路結(jié)構(gòu)、測試技術(shù)和制造工藝等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)出國內(nèi)第一 臺稀土永磁電機(3kW、 20000r/min)，研制出世界容量最大的60 ~ 160kW 稀土永磁復(fù)勵磁機。緊隨其后開發(fā)出了多品種多規(guī)格永磁電動機及電動客車用永磁同步電機系統(tǒng)等。 

5.4.3 永磁無刷直流電機

1、基本原理

直流電機具有洞速性能好、控制方便、運行效率高等優(yōu)點，曾在調(diào)速驅(qū)動領(lǐng)域中起著重要作用。但由于采用電刷機械方式換向，不可避免地存在由機械摩擦引起的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弊端，從而極大地限制了其應(yīng)用范圍。隨著電子傳感器技術(shù)的發(fā)展，采用電子換向替代機械換向，加之高性能永磁材料的發(fā)展，永磁無刷直流電機相繼出現(xiàn)，使得直流調(diào)速控制又重新獲得新的生機。它保持了有刷直流電機的優(yōu)良控制特性，而克服了其弊端，具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速性能平滑、起動轉(zhuǎn)矩大、易于控制、運行可靠、效率高、免維護、壽命長等優(yōu)點。它與永磁有刷直流電機相比，采用了一種 “ 里翻外” 結(jié)構(gòu)，即把電樞繞組置在定子上，使得其電損耗熱量容易經(jīng)機殼向外發(fā)散且便于溫度檢控；而轉(zhuǎn)子采用永磁激勵，無電勵磁繞組，即免去向轉(zhuǎn)子通電需經(jīng)電刷的方式，且損耗和發(fā)熱也就很小。對轉(zhuǎn)子永磁體的極性通過位置傳感器檢測，控制定子電樞繞組的通電形式，是一種機電一體化結(jié)構(gòu)的驅(qū)動控制電動機，其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖5-27所示。

2. 結(jié)構(gòu)

永磁無刷直流電機主要由電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和驅(qū)動控制器（電子開關(guān)驅(qū)動電路）三部分組成。三相對稱電樞繞組安放在定子上，轉(zhuǎn)子上的電樞繞組用稀土永磁材料（衫鉆、欽鐵繃）取代。對于高速永磁無刷直流電機，還需要加裝非磁性護環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖5-28所示。

(1)永磁無刷電機定子

永磁無刷電機定子繞組與同步電機或感應(yīng)電機類同，如圖5-29所示，以三相繞組為例可接成星形或三角形，并分別與驅(qū)動控制器的各功放管相連。主要電氣參數(shù)、繞組形式與勵磁式三相同步電機的定子繞組一樣，通入交流電源即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

(2)永磁無刷電機轉(zhuǎn)子

永磁無刷電機轉(zhuǎn)子采用徑向永久磁鐵作磁極，如圖5-30所示。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將跟隨旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場的速度取決于電源頻率。與三相交流電機的同步電機類似，永磁無刷電機可以產(chǎn)生理想的恒轉(zhuǎn)矩。

為了充分利用和發(fā)揮永磁材料的特性， 通常采用具有矩形截面的條形永磁體將其粘貼在轉(zhuǎn)子鐵心表面或鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心中。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上安裝位置的不同， 永磁無刷電機可分為表面式、內(nèi)置式和鑲嵌式等幾種結(jié)構(gòu)形式， 如圖5-31所示。表面式電機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。由于永磁體的磁導(dǎo)率接近空氣的磁導(dǎo)率， 永磁無刷電機有較大的有效氣隙， 電樞反應(yīng)降低。內(nèi)置式電機有較高的磁顯性， 可產(chǎn)生額外的磁阻轉(zhuǎn)矩分籃， 保持高速運行時的機械穩(wěn)定性。鑲嵌式電機的永磁體可以有多種鑲嵌方式，其性能介于表面式和內(nèi)置式的電機之間。

為適應(yīng)電動汽車驅(qū)動車輪的需要， 其電機本體也可設(shè)計成外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子結(jié)構(gòu)的輪載式電機形式， 其外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動車輪， 內(nèi)定子繞組的出線和位置傳感器引線從電動機軸即車輪軸引出。目前這種永磁無刷直流輪載式電機在電動自行車上已使用得相當(dāng)普遍。

(3)轉(zhuǎn)子位置傳感器

位置檢測器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的位置信號，為驅(qū)動控制器的邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器兩種檢測方式。無位置傳感器的控制思路是通過檢測和計算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量來間接獲得轉(zhuǎn)子的位置信 息，主要有反電動勢檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、定子三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。由于省去了位置傳感器，對電機的體積、成本、可靠性等都有好處，正在引起相應(yīng)的重視，目前處于研究開發(fā)階段。

如圖5-32所示， 轉(zhuǎn)子位置傳感器在無刷直流電機中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用， 為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息， 即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號， 然后去控制定子繞組換相。轉(zhuǎn)子位置傳感器常用的有電磁式、光電式、磁敏式等。

(4) 驅(qū)動控制器（電子開關(guān)驅(qū)動電路）

永磁無刷直流電機的驅(qū)動控制按其定子繞組相數(shù)的多少，控制驅(qū)動線路的復(fù)雜程度大不相同，其驅(qū)動功率放大管的數(shù)量也隨之增減。具體對千三相繞組直流無刷電機有三相半控和三相全控兩種電路，而三相全控電路又有星形和三角形兩種聯(lián)結(jié)方式，每種聯(lián)結(jié)又各有兩兩通電和三三通電的方式。對無刷直流電機的驅(qū)動控制實際上就是按其通電方式的要求順序和位置檢測信號來適時導(dǎo)通功放管，其通斷順序的邏輯控制完全類似于步進(jìn)電機或開關(guān)磁阻電動機的脈沖分配器。

如圖5-32所示，永磁無刷直流電機的定子繞組是由電子開關(guān)驅(qū)動電路中的 “外部換向器（逆變器）接到直流電源上的，可以把它歸為直流電機的一種。從逆變器的角度來看， 永磁無刷直流電機電樞繞組中的電流變化是靠電子開關(guān)驅(qū)動電路來完成的，其頻率與轉(zhuǎn)速變化一致，因此它又屬于永磁同步電機的一種。它和正弦永磁同步電機的主要區(qū)別在于：無刷直流電機電樞繞組中流過的電流以方波形式變化，故又稱為方波交流永磁電機。因此其工作原理與永磁同步電機相同。

3. 永磁無刷電機的轉(zhuǎn)動原理

由圖5-29a可知， 當(dāng)定子的A、B、C相按時序分別通一電流時，定子A、B、C相的磁場就會按一定方向旋轉(zhuǎn)，因此永久磁鐵就可旋轉(zhuǎn)。常見的永磁無刷電動機的定子為三相對稱繞組（圖5-29b)，與三相異步電機的結(jié)構(gòu)相同。轉(zhuǎn)子上有稀土永磁鐵。驅(qū)動器為交—直—交電壓型變換器，通過正弦波脈寬調(diào)制(PWM)，輸出頻率為f電壓可變的三相正弦波電壓。三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1 =2,rf/p (p為磁極對數(shù)），這個旋轉(zhuǎn)磁場與永磁體轉(zhuǎn)子作用帶動轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，并力圖使定子、轉(zhuǎn)子磁場軸線對齊。當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場軸線落后定子磁場軸線一個功率角0, 功率角0與負(fù)載成正比，負(fù)載越大功率角就越大，直到功率角大到足以使轉(zhuǎn)子停止不轉(zhuǎn)動為止。由此看出，永磁無刷電機在運行時，其轉(zhuǎn)速必須與頻率嚴(yán)格成比例旋轉(zhuǎn)，否則就會失步停轉(zhuǎn)。因此，永磁無刷電機的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步，其靜態(tài)誤差為零。在負(fù)載擾動下，只是功率角在變化，而轉(zhuǎn)速不變，響應(yīng)時間是實時的，這是永磁無刷電機的運行特點。但當(dāng)功率角處于某一特定值時，電機會因失步而停轉(zhuǎn)。因此，該電機不適合在重負(fù)載情況下使用，也不易快速起動。

4. 永磁無刷直流電機的驅(qū)動過程

如圖5-32所示，三相兩極無刷直流電機的三相定子A、B、C繞組分別與電子開關(guān)驅(qū)動電路中相應(yīng)的功率晶體管VT1 、VT2、V3相連接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)軸相連接。

當(dāng)定子繞組的某一相通電時、該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由千電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的、因而其起到了機械換向器的換向作用。

永磁無刷直流電機半控橋電路的原理如圖5-33所示。此圖采用光電器件作為位置傳感器，以三只功率晶體管VT1 、VT2、V兀構(gòu)成功率邏輯單元。三只光電器件VP1 、VP2 和VP3的安裝位置各相差120° ,均勻分布在電動機一端。借助安裝在電動機軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板的作用，使從光源射來的光線依次照射在 十各個光電器件上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。

當(dāng)轉(zhuǎn)子位于圖5-34a所示的位置時， 電此時光電器件VP1 被光照射，從而使功率晶體管VT1 ,呈導(dǎo)通狀態(tài)，電流流入繞組A-A'，該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子的磁極按圖5-34a中箭頭方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖5-34b所示的位置時，直接裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板亦隨著同步轉(zhuǎn)動，并遮住VP1而使VP2 受光照射，從而使晶體管VT1 截止、 晶體管V飛導(dǎo)通，繞組A-A'斷開，電流流入繞組B-B'，使得轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝箭頭方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖5-34c所示的位置時，此時旋轉(zhuǎn)遮光板已經(jīng)遮住VP2 ,使VP3 被光照射，導(dǎo)致晶體管V飛截止、 晶體管V兀導(dǎo)通，因而電流流入繞組C-C，C'，于是驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝順時針方向旋轉(zhuǎn)并回到圖5-34a的位置。

這樣，隨著位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動，定子繞組在位置傳感器 VP、VP,和 VP,的控制下，便一相一相地依次饋電，實現(xiàn)了各相繞組電流的換相。在換相過程中，定子各相繞組在工作氣隙內(nèi)所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)磁場在 360°電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù) 120°電角度。各相繞組電流與電動機轉(zhuǎn)子磁場相互關(guān)系如圖 5-34 所示。圖 5-34a為第一種狀態(tài)，F(xiàn),為繞組 A-A'通電后所產(chǎn)生的磁動勢。顯然繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)過 120°電角度后，便進(jìn)入第種狀態(tài)，這時繞組 A-A'斷電，而B-B'隨之通電，即定子終組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了120°。如圖 5-34b 所示，電動機定子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn):再轉(zhuǎn) 120°電角度，便進(jìn)入第三種狀態(tài)，這時繞組 B-B'斷電、C-C'通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場又轉(zhuǎn)過 120°電角度，如圖 5-34c 所示;轉(zhuǎn)子沿順時針方向再轉(zhuǎn)過 120°電角度后就恢復(fù)到初始狀態(tài)。三相兩極無刷直流電動機各相繞組導(dǎo)通時序如圖 5-35 所示。

5. 永磁無刷直流電機的特性

經(jīng)過弱磁調(diào)速后，永磁無刷電機可以實現(xiàn)恒功率調(diào)速，其特性曲線如圖5-36所示。永磁無刷直流電機機械特性與三相交流感應(yīng)電機相類似。

5.4. 4 永磁同步電機

 永磁同步電機和永磁無刷直流電機兩者最主要的區(qū)別在于永磁體勵磁磁場在定子相繞組中感應(yīng)出的電動勢波形。永磁同步電機每相感應(yīng)出的電動勢波形為正弦波， 而永磁無刷直流電機為梯形波，如圖5-37所示。

1. 永磁同步電機的原理與結(jié)構(gòu)

永磁同步電機的原理與交流同步電機類同， 只不過用永磁體轉(zhuǎn)子代替了交流同步電機轉(zhuǎn)子的電勵磁， 參考前述三相交流感應(yīng)電機的工作原理， 當(dāng)三相定子繞組通入三相對稱正弦波交流電時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場磁極與轉(zhuǎn)子的異性磁極間形成的磁拉力就會牽引轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。因此永磁同步電機的定子結(jié)構(gòu)也與交流同步電機相同， 其繞組通常也為三相式；轉(zhuǎn)子通常采用徑向永久磁鐵做成磁極， 其結(jié)構(gòu)如圖5-38所示。

根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同， 永磁同步電機同樣可分為表面式和內(nèi)置式。永磁同步電機的驅(qū)動控制電路與交流感應(yīng)電機類同， 為獲得較好的控制特性， 要求利用復(fù)雜的矢量控制技術(shù)， 并采用調(diào)頻兼調(diào)壓的方式來實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速， 而轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速n。 

絕對同步。其變頻器同樣有交一型、交直一交型和直一交型三類， 對于直流電源需先通過DC/DC變換器獲得電壓可調(diào)的直流源后，再采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)逆變器來完成。

2.永磁同步電機的特點

永磁無刷直流電機采用矩形波控制，換相次數(shù)也不會像有刷直流電機那樣多，因此在換相時總會產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩脈動，而采用正弦波電流驅(qū)動的永磁同步電機即可克服該缺點。它與電勵磁同步電機相比，采用永磁體而不需要勵磁功率，使得電動機轉(zhuǎn)子的無功損耗和鐵損耗都省去，因此其功率因數(shù)明顯提高，損耗減小，具有高效節(jié)能之特點圖5-39所示為永磁同步電機與其他電機的效率比較，其一般效率達(dá)到95%以上，比Y系列異步電機效率提高10%~15%，功率因數(shù)可達(dá)0.95~0.99，系統(tǒng)綜合節(jié)電明顯。由于永磁同步電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率同步，其調(diào)速精度極高，不受電源電壓和負(fù)載的波動而變化。在任何情況下， 永磁同步電機的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的誤差不大于0. 25r/min, 若大于0. Sr/min, 電機就將進(jìn)入失步狀態(tài)， 由此也說明永磁同步電機的過載能力不是很強。另外其驅(qū)動控制電路要比永磁無刷直流電機所需的復(fù)雜多， 其成本也要高得多。

本文摘編自《新能源汽車技術(shù)概論》，機械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

本書可作為汽車工程類應(yīng)用型本科及高職高專院校的教材；也可作為汽車工程技術(shù)人員、新能源汽車培訓(xùn)教師參考用書；同時適合廣大對新能源汽車技術(shù)關(guān)注的社會人士閱讀。

本書由廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院李艷菲、鄭偉編著。