《新能源汽車技術(shù)概論》系列文章：

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)——《驅(qū)動(dòng)電機(jī)》 已發(fā)布

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)——《直流電機(jī)》 已發(fā)布

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)——《交流感應(yīng)電機(jī)》 已發(fā)布

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)——《永磁電機(jī)》 已發(fā)布

傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)， 電動(dòng)汽車以電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替了發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源，電動(dòng)汽車中的燃料電池電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車都需要使用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輪行駛。選擇合適的電機(jī)是提高各類電動(dòng)汽車性價(jià)比的重要途徑， 因此研發(fā)或完善能同時(shí)滿足車輛行駛過程中的各項(xiàng)性能要求， 并具有堅(jiān)固耐用、造價(jià)低、效能高等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)顯得極其重要。這也是提高電動(dòng)汽車性價(jià)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(dòng)汽車的動(dòng)力性能取決于它的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

5. 5 開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī)，又稱開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種電機(jī)主要由開關(guān)磁阻電機(jī)本體、電力電子功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感器以及控制器四部分組成誕生之初，一直被認(rèn)為是一種性能不高的電機(jī)，然而隨著現(xiàn)代大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，通過近 20年的研究及改進(jìn)，其性能已經(jīng)得到了很大的提高，才使得開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)以高效率、高可靠性、具有軟起動(dòng)特性的調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)面貌出現(xiàn)。開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、成本低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。其容量可設(shè)計(jì)成幾瓦到幾兆瓦。系統(tǒng)的調(diào)速范圍也較寬，既可以在低速下運(yùn)行，也可以在高速場(chǎng)合下運(yùn)行(最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 15000r/min)。除此之外，開關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行效率、可靠性等方面均優(yōu)于感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)，可以在散熱條件差、存在化學(xué)污染的環(huán)境下運(yùn)行，并且控制簡(jiǎn)單，這使其在家用電器、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

5.5. 1 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

圖5-40為開關(guān)磁阻電機(jī)本體，定子、轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，裝有位置傳感器。定子裝有簡(jiǎn)單的集中繞組，一般徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)形成一對(duì)磁極，稱為一相。

開關(guān)磁阻電機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)， 且定轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。其相數(shù)越多， 步距角越小， 利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 且主開關(guān)器件多， 成本高。由于三相以下的開關(guān)磁阻電機(jī)尤自起動(dòng)能力， 目前應(yīng)用較多的是三相(6/4)結(jié)構(gòu)及四相(8/6)結(jié)構(gòu)， 如圖5-41所示。 

開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)的交、直流電機(jī)存在著根本的區(qū)別，它不像傳統(tǒng)電機(jī)那樣依靠定子、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生磁場(chǎng)間的相互作用形成轉(zhuǎn)矩而是遵循“磁阻最小原理”--磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合的原理工作的。圖 5-42 為一四相(8/6)開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理圖，其供電電路只畫出了一相。

它是由有繞組的8極定子和無繞組的6極轉(zhuǎn)子構(gòu)成，當(dāng)沿徑向相對(duì)的2個(gè)定子極通以直流電，形成一個(gè)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)使對(duì)應(yīng)的一對(duì)轉(zhuǎn)子磁極受力旋轉(zhuǎn)與定子磁極中心線重合，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理遵循磁阻最小原理”--磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)必使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。當(dāng)定子 D-D極勵(lì)磁時(shí)，所產(chǎn)生的磁力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子軸線 1-1'與定子極軸線 D-D'重合的位置，并使D相勵(lì)磁組的電感最大。若依次給 D-A-B-C相繞組通電，轉(zhuǎn)子會(huì)按勵(lì)磁順序以逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn);反之，若依次給B-A-D-C相通電，則電機(jī)即會(huì)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制加到開關(guān)磁阻電機(jī)繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，即可控制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與方向。

5.5.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)主要由SR電機(jī)、功率變換器、控制器和檢測(cè)器四部分所組成， 如圖5-43所示。

SR電機(jī)是SRD系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件。圖5-42所示為典型SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。SR電機(jī)可以設(shè)計(jì)成單相、兩相、三相、四相或更多相結(jié)構(gòu)；按電機(jī)的結(jié)構(gòu)要求也可制成徑向式、軸向式或盤式電機(jī)， 即定子、轉(zhuǎn)子間的氣隙可以是徑向氣隙、軸向氣隙或軸向、徑向混合氣隙結(jié)構(gòu)；并且還有外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子（即如輪載式電機(jī)）結(jié)構(gòu)。目前應(yīng)用較多的是三相6/4極、三相12/8極和四相8/6極結(jié)構(gòu)，如圖5-44所示。

功率變換器是 SRD系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，是影響系統(tǒng)性能與其成本的主要因素。它起著控制電機(jī)繞組與直流電源接通與關(guān)斷的作用，開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電機(jī)相數(shù)及主開關(guān)器件的種類有關(guān)。在整個(gè)控制系統(tǒng)成本中，功率變換器占有很大的比重，合理選擇和設(shè)計(jì)功率變換器是提高開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的性能價(jià)格比的關(guān)鍵之一，圖 5-45 為三相開關(guān)磁阻電機(jī)的一種常用的功率變換器主電路。

圖中 A、B、C為電機(jī)相繞組，VT1-VT6。為各相的可控開關(guān)品體管，VD1-VD6。為續(xù)流二極管控制器通過位置傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置信息，速度、電流等反饋信息和轉(zhuǎn)速等給定信息，通過分析處理，向功率變換器發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

控制器一般由單片機(jī)及外圍接口電路等組成，與控制性能要求關(guān)系很大?？刂破魇蔷C合處理位置檢測(cè)、電流檢測(cè)所提供的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信息以及外部輸入的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì) SR 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制，是 SRD 系統(tǒng)的指揮中樞。位置傳感器向控制器提供轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，使控制器能正確地決定繞組的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻。采用的位置檢測(cè)器與前述永磁無刷電機(jī)所用的類同，只不過其檢測(cè)角度需與電機(jī)轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)及其極距角相對(duì)應(yīng)。轉(zhuǎn)子位置傳感器有霍爾式、 電磁式、 光電式和磁敏式多種， 常設(shè)在電動(dòng)機(jī)的非輸出端，如圖5-46所示。

光電式位置檢測(cè)器由齒盤和光電傳感器組成。齒盤截面和轉(zhuǎn)子截面相同， 裝在轉(zhuǎn)子上光電傳感器裝在定子上。當(dāng)磁盤隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 光電傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子齒的位置信號(hào)。

位置傳感器的引入增加了開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，影響了其可靠性， 因此人們正致力于研究無傳感器方案， 采用無 位置傳感器的位置檢測(cè)方法是SRD的發(fā)展方向， 它利用電動(dòng)機(jī)繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律， 通過測(cè)量非導(dǎo)通繞組電感來推斷轉(zhuǎn)子的位置， 這對(duì)降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)可靠性有著重要的意義。

5.5.3 開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)

開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如圖 5-47 所示

1)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)通常比較簡(jiǎn)單，其突出的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，因此不會(huì)有籠型感應(yīng)電機(jī)制造過程中鼠籠鑄造不良和使用中的斷條等問題。其轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度極高:可以用于超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。在定子方面，它只有幾個(gè)集中繞組，因此制造簡(jiǎn)便，絕緣容易。

2)功率電路簡(jiǎn)單可靠。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(guān)，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個(gè)功率開關(guān)，并且每個(gè)功率開關(guān)元件均直接與電機(jī)繞組相串聯(lián)，從根本上避免了直通短路現(xiàn)象。因此開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護(hù)電路可以簡(jiǎn)化，既降低了成本，又提高了工作可靠性。

3)各相可以獨(dú)立工作，可靠性高。從電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和磁路相互獨(dú)立，各自在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而不像在一般電機(jī)中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。從控制器結(jié)構(gòu)上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般也是相互獨(dú)立工作。由此可知，當(dāng)電機(jī)一相繞組或控制器一相電路發(fā)生故障時(shí)，只需停止該相工作，電機(jī)除總輸出功率能力有所減小外，并無其他問題。因此該系統(tǒng)可靠性極高，可以適用于字航、電動(dòng)汽車等使用。

4)起動(dòng)電流小，轉(zhuǎn)矩大。低起動(dòng)電流控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機(jī)側(cè)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是磁阻電機(jī)的一大特點(diǎn)。因此開關(guān)磁阻電機(jī)很適合電動(dòng)車輛等需要重載起動(dòng)和較長(zhǎng)時(shí)間低速重載運(yùn)行的機(jī)械。

5)適用于頻繁起、停及正、反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行。開關(guān)磁阻電機(jī)具有低起動(dòng)電流、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使之在起動(dòng)過程中電流沖擊小，電機(jī)和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運(yùn)行時(shí)還小，可控參數(shù)多，調(diào)速性能好?？刂崎_關(guān)磁阻電機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)有相開通角、相關(guān)斷角、相電流幅值及相繞組電壓等。因而可控參數(shù)多，控制靈活方便。根據(jù)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行要求和電機(jī)的情況，可采用不同控制方法和參數(shù)值，使之運(yùn)行于最佳狀態(tài)。還可使之實(shí)現(xiàn)各種不同的功能和特定的特性曲線。如使電機(jī)具有完全相同的四象限運(yùn)行(即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電動(dòng)、制動(dòng))能力，并具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和串激電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力曲線。

6)損耗小，效率高。因?yàn)殚_關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不存在繞組銅損，加上可控參數(shù)多靈活方便，故易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化控制。其效率在很寬范圍內(nèi)都在87%以下。

7)易于回收利用。定子和轉(zhuǎn)子材料使用磁鐵，都是常見硅鋼片，因而，材料容易得到且回收利用容易。

8)高溫運(yùn)轉(zhuǎn)性能好。由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子不發(fā)熱，冷卻控制比較容易，可以在高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)。

開關(guān)磁阻電機(jī)的缺點(diǎn)如圖5-48所示。

①轉(zhuǎn)矩有脈動(dòng)現(xiàn)象。開關(guān)磁阻電機(jī)的磁場(chǎng)是跳躍性旋轉(zhuǎn)的，使得開關(guān)磁阻電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象。

②振動(dòng)與噪聲。開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩有脈動(dòng)現(xiàn)象，加上單邊磁拉力的作用，因此一般開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲比其他類型的電機(jī)大。

③控制系統(tǒng)復(fù)雜。開關(guān)磁阻電機(jī)必須安裝位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器等總成，因此引線比其他電機(jī)要多，控制和接線變得更復(fù)雜。

④)脈沖電流對(duì)供電電源有影響。開關(guān)磁阻電機(jī)的相電流是脈沖電流，這就會(huì)對(duì)為它供電的直流電源產(chǎn)生很大的脈沖電流。

近年來，電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是開發(fā)系列化的交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與原來的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，以上驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、調(diào)速范圍廣、可靠性高。目前，美國(guó)的汽車公司大多采用高速、高效的交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，日本的汽車公司基本上采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。我國(guó)電動(dòng)轎車多采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，公交車多采用交流電機(jī)。與工業(yè)電動(dòng)機(jī)一樣，電動(dòng)汽車用電機(jī)也已經(jīng)從直流逐漸過渡到交流，直流電機(jī)的使用越來越少。大功率的永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)還不是很成熟。開關(guān)磁阻電機(jī)也由于振動(dòng)、噪聲轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大等問題還未大規(guī)模地使用。

本文摘編自《新能源汽車技術(shù)概論》，機(jī)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(shí)適合廣大對(duì)新能源汽車技術(shù)關(guān)注的社會(huì)人士閱讀。

本書由廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院李艷菲、鄭偉編著。