電動車永磁同步電動機的設計發展

付多智

（上海眾聯能創新能源科技股份有限公司）

電動汽車具有低噪聲、零排放、高效、節能及能源多樣化和綜合利用等顯著優點，成為各國開發的主流。電動汽車的發展有賴于技術的進步，尤其是需要進一步提高其驅動系統的性能[1]。電動汽車對其驅動系統的要求是轉矩控制能力良好，轉矩密度高，運行可靠性及在整個調速范圍內的效率盡可能高，從而保證車輛具有良好的動力性能和操控性，同時在車載動力電池未能取得突破的情況下，延長車輛的續駛里程。研究并開發出高水平的電機驅動控制系統，對提高我國電動汽車驅動系統水平及電動汽車的產業化具有重要意義[2]。隨著永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步電動機以其高效率、高功率因數和高功率密度等優點，正逐漸成為電動汽車驅動系統的主流電機之一。

1　電動汽車用電動機及驅動系統比較

電氣驅動系統作為現代電動汽車的核心[3]，主要包括：電動機、功率電子元器件及控制部分。評價電動車的電氣驅動系統實質上主要就是對不同電動機及其控制方式進行比較和分析。目前正在應用或開發的電動車用電動機主要有直流電動機（DCM）、感應電動機（IM）、永磁電動機（PM）及開關磁阻電動機（SRM）4類。下面分別對這4種電氣驅動系統進行簡要的分析和說明[4]，其總體特性比較，如表1所示。

表1　電動汽車電氣驅動系統特性比較

1.1　直流電動機驅動系統

在電動汽車領域，最早使用的就是直流電動機。直流電動機結構簡單，易于控制，具有良好的電磁轉矩控制特性，但是由于采用機械換向結構，維護困難，并產生火花，容易對無線電產生干擾，這對高度智能化的未來電動汽車是致命的弱點[5]。另外，直流電動機驅動系統體積大、制造成本高、速度范圍有限、能量密度較低，這些都限制和妨礙了直流電動機在電動汽車中的進一步應用。

1.2　感應電動機驅動系統

感應電動機現在普遍采用變頻驅動方式，常見的變頻控制技術有3種:V/F控制、轉差頻率控制及矢量控制。20世紀90年代以前，主要以脈沖寬度調制（PWM）方式實現V/F控制和轉差頻率控制[6]，但這2種控制技術因轉速控制范圍小、轉矩特性不理想，而對于需頻繁起動、加減速的電動汽車不太適用。近幾年，電動汽車感應電動機主要采用矢量控制技術。

1.3　開關磁阻電動機驅動系統

以開關磁阻電動機（SRM）為代表的磁阻電動機是一種很有發展前途的電動機驅動系統。SRM是一種沒有任何形式的轉子導體和永久磁體的無刷電動機，它的定子磁極和轉子磁極都是凸的。SRM具有轉子結構簡單可靠、在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行、響應速度快等優點。但SRM在振動、噪聲、轉矩脈動、控制方式等方面還有許多問題需要解決，目前應用還受到限制。

1.4　永磁電動機驅動系統

永磁電動機既具有交流電動機的無電刷結構、運行可靠等優點，又具有直流電動機的調速性能好的優點，且無需勵磁繞組，可以做到體積小、控制效率高，是當前電動汽車電動機研發與應用的熱點[7]。永磁電動機驅動系統可以分為無刷直流電動機（BLDCM）系統和永磁同步電動機（PMSM）系統。無刷直流電動機（BLDCM）系統具有轉矩大、功率密度高、位置檢測和控制方法簡單的優點，但是由于換相電流很難達到理想狀態，因此會造成轉矩脈動、振動噪聲等問題[8]。對于車速要求不太高的電動汽車驅動領域，BLDCM系統具有一定的優勢，得到了廣泛的重視和普遍應用。PMSM系統具有高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩平穩性以及低噪聲的特點，通過合理設計永磁磁路結構能獲得較高的弱磁性能，提高電動機的調速范圍，因此，在電動汽車驅動方面具有較高的應用價值，已經受到國內外電動汽車界的高度重視，并在日本得到了普遍的應用，是一種比較理想的電動汽車驅動系統。

2　電動車用永磁同步電動機研究狀況

2.1　日本電動車用永磁同步電動機狀況

日本1965年就開始研制電動車，于1967年成立了日本電動車協會。由于永磁同步電動機的性能優良，所以一經問世就受到日本汽車公司的青睞。1996年，豐田汽車公司的電動車RAV4就采用了東京電機公司的插入式永磁同步電動機作為驅動電機，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電動機可以達到最大功率50 kW，最高轉速13 000 r/min。圖1示出轉子永磁體不同層數示意圖。

圖1　轉子永磁體不同層數示意圖

2.2　歐洲電動車用永磁同步電動機狀況

在法國VEDELIC電動車計劃中，PSA電動車動力傳動系統生產商MoteursLeroy-Somer在1997年改進了驅動電機。選擇的新型驅動電機即為三相永磁同步電動機。電機的性能指標，如表2所示。

表2　三相永磁同步電動機性能指標

與傳統的直流驅動系統相比，法國采用的三相永磁同步電動機主要有以下三方面提高:1）功率密度比和轉矩密度比高；2）效率更高；3）可靠性提高，維修方便。德國第3代奧迪混合電動車驅動電機采用了永磁同步電動機。其最高轉速為12 500 r/min，最大輸出功率為32 kW。

2.3　美國電動車用永磁同步電動機狀況

美國的電動車開發比日本晚。在美國，感應電機的設計及其控制策略的發展較為成熟，所以電動車驅動電動機還主要以感應電機為主。但美國也進行了永磁同步電動機的研究，而且成果卓著。SatCon公司JamesH.Goldie和KevinE.LeRowR.E.等人研制的永磁同步電動機采用定子雙套繞組技術，既擴大了電機的轉速范圍，又有效利用了逆變器的電壓，繞組電流低，電動機效率高。表3示出美國SatCon公司研制的電機在不同轉速和功率下的效率特性。

表3　SatCon技術公司研制的電機效率特性

3　電動機研究的熱點及其發展趨勢

作為車輛電驅動系統的中心環節，驅動電機的總體性能是設計研制技術的關鍵之一。根據車輛運行的特殊環境以及電驅動車輛自身的特點，對驅動電機的技術要求主要有:

1）體積小、質量輕，有較高的功率和轉矩密度；

2）要求在寬速域范圍內，電動機和驅動控制器都有較高的效率；

3）有良好的控制性能以及過載能力，以提高車輛的起動和加速性能。

3.1　提高電機轉矩特性

3.1.1提高輸出轉矩

日本電機工程研究實驗室與其它公司合作推出采用雙層永磁體的內置式永磁同步電機，提高了電機的交軸電導，使電機轉矩增加10%，最大效率區增加10%，最大峰值效率可達97%，主要運行區域效率可大于93%。

3.1.2降低轉矩脈動

在抑制轉矩脈動方面，通常通過對電機結構進行優化設計來實現。例如:采用不均勻氣隙，在轉子上分布圓形孔洞，優化定子齒形，優化磁極形狀等。圖2示出一種新型永磁體形狀設計。磁橋寬度保持不變，隨著角度（θ）變小，轉矩脈動和齒槽轉矩減小。

圖2　永磁體標準模型與修改后的模型

3.2　提高弱磁擴速能力

弱磁控制可以實現永磁同步電動機在低速時能輸出恒定轉矩，高速時能輸出恒定功率，有較寬的調速范圍。較弱的弱磁性能能夠在逆變器容量不變的情況下提高系統性能；或者說在保持系統性能不變的前提下降低電動機的最大功率，從而降低逆變器的容量。因此，對永磁同步電動機進行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。

為了提高電動機效率、擴大電動機的弱磁能力，國內外提出了許多弱磁設計方案，其中具有代表性的主要有:

1）定子采用深槽結構:通過采用深槽結構增加直軸漏抗，從而增加電動機的弱磁能力。日本人采用這種方法設計出的樣機最高速度可達13 000 r/min。但采用這種方法高速鐵耗比較大。日本電動機采用了高性能低飽和硅鋼片，采用普通的硅鋼片材料設計效果不會很好。

2）復合轉子結構:復合式轉子由永磁段和軸向層疊磁阻段組成，兩者同軸置于同一定子鐵心內。可以對這兩部分進行獨立設計，磁阻段用于控制電動機直、交軸電抗參數，以獲得需要的凸極比。這種結構可以增大電動機的直軸電抗，擴大電動機的轉速范圍，但這種結構會使轉矩密度降低，高速時鐵磁損耗很大。

3）交替極結構永磁電動機:這種電動機的定子由疊片鐵心、鐵軛以及三相繞組組成，沿圓周的直流繞組被放置在定子鐵心的中間。轉子極分為兩部分：一部分放徑向磁化的永磁體，一部分為鐵極結構。該結構容易實現弱磁控制，但直流繞組的引入減小了功率密度，對空間體積的要求也增加了。

4）雙套定子繞組:低速時采用低速繞組提高電動機的轉矩、降低電流從而提高電動機的效率，高速時采用高速繞組降低電動機的反電勢擴大電動機的高速運行范圍。美國技術公司就采用了這項技術。沈陽工業大學和香港大學也對這項技術進行了研究。香港大學通過試驗證明采用雙套繞組后永磁同步電動機的最高轉速可由12 000 r/min提高到14 500 r/min以上。

4　結論

電機驅動系統是制約電動車發展的關鍵技術之一。由于永磁同步電動機具有功率密度大、功率因數大、效率高等優點，已成為電驅動技術發展中的一個重要研究方向。隨著研究的不斷深入和電動機性能的提高，以及車載能源技術和動力控制系統的進一步發展，永磁同步電動機將會有更廣闊的應用前景。