新能源汽車中永磁同步電機技術的應用研究

霍本杰，韋思如

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

現階段，交流異步電動機主要應用于以特斯拉為首的美國汽車公司和一些歐洲公司。一方面，這與特斯拉最初的技術路線選擇有關。交流感應電動機價格便宜，體積大，不妨礙美國汽車。另一方面，美國高速公路網的發展，以及交流電機的高速效率性能好。在中國、日本等國家利用最普遍的新能源汽車電機依舊是永磁同步電機。符合國內道路條件是關鍵要素，永磁同步電機在不斷啟停、加減速環節里可以維持高效率，是高速公路網有限工況下的有效選擇。此外，中國稀土儲量豐富，日本稀土永磁產業的支撐基地也是一個重要因素。目前，永磁同步電機占中國新能源汽車使用量的90%以上。新能源汽車電機技術要求很高，永磁同步電機的作用最大。驅動電機是新能源汽車的3大關鍵裝置之一。相比較于傳統工業電機，新能源汽車驅動電機擁有更大的性能指標。從整體技術來看，永磁同步電機擁有極佳的地位，可以標志新能源汽車驅動電機的成長指標。因為中國稀土儲量很富饒，電機技術達到世界高級水平，預計永磁電機會長時間占領中國新能源汽車的電機市場。

1 新能源汽車

新能源汽車是指利用專門的汽車燃料充當動力源，利用汽車動力控制和驅動技術，做成發達技術與先進結構的汽車。

新能源汽車有純電動、大范圍電動、混合動力、燃料電池電動、氫動力等新能源汽車。在混合動力汽車里，電動機是發動機驅動的輔助動力，但應該規范電池組的質量與整車的性能，進而降低混合動力汽車的總體性能。因此，通用發電機只有在HEV發動機啟動、車輛啟動、加速或者爬升時才可以運轉。發電機是發動機的飛輪，功能是調控發動機輸出功率。發電機也起著發電的功能，將發動機的動能轉變成電能保存在電池組之中。HEV下坡或者制動的時候，汽車的慣性動能轉變成電能保存在電池組中。所以，混合動力汽車具有電動機的輔助功能，可以使混合動力汽車滿足節能和“超低污染”的要求。電動機類別很多，利用范圍大，功率范圍很高。然而，混合動力汽車使用的電機類型較少，功率范圍也較小。目前主要使用的是交流電機、永磁電機和開關磁阻電機，無論是電機本身還是控制裝置，成本都比較高。然而，隨著電子計算機控制和電機機電一體化的加速發展，許多新技術正逐步應用于混合動力汽車（HEV）的電機。一旦大規模生產形成，電機甚至整車的成本都會大大降低。

新能源汽車的主流電機有直流、異步與永磁同步電機。永磁同步電機擁有調速范圍廣、功率密度大、工藝簡單、體積小、運行可靠耐用等特點，已成為主流。在電動汽車發展的早期，直流電機作為驅動電機得到了廣泛的應用。然而，因為結構繁瑣，瞬時過載性能與電機轉速有限制。長時間運轉會引發損失，增加維護成本。此外，電刷在電機運轉流程中出現的火花會讓轉子發熱，會造成高頻電磁制約，影響汽車其他電器的性能。因此，目前電動汽車行業已經基本淘汰了直流電機。盡管異步電動機費用小，管理便捷，然而效率很小，調速性能差。使用的模型很少，但也有一些主流模型。從目前來看，這種類型的電機不會成為一種趨勢。永磁同步電機的結構和直流電機類似，無刷直流電機擁有結構單一、運轉穩定、功率密度大、調速性能高等特征。并且，因為永磁同步電機利用與直流電機不一致的驅動模式，因此永磁同步電機在噪聲和控制方面具有優勢[1]。

2 永磁同步電機

永磁同步電機是經過永磁勵磁出現同步旋轉磁場的同步電機。永磁起轉子的功能，出現旋轉磁場。三相定子繞組在旋轉磁場作用下經過電樞反應，引發三相對稱電流。而且，轉子的動能轉變成電能，永磁同步電機充當發電機。除此之外，定子側接三相對稱電流的時候，因為三相定子在空間位置相差120，因此三相定子電流在空間中出現旋轉磁場，轉子的旋轉磁場經受電磁力的制約。這時電能轉變成動能，永磁同步電動機充當電動機。

2.1 永磁同步電機優點

（1）高效率：由于其勵磁磁場（轉子磁場）是由磁鐵提供的，所以部分勵磁磁場所需的電能被省略。

（2）調速范圍大：由于他是永磁體作為勵磁磁場，調節電流和頻率可以在很大范圍內調節電機的功率和轉速。

（3）體積小，重量輕（因為結構簡單，體積與重量都較小）。

（4）發熱小，密封性強，免維護。

2.2 永磁同步電機工作原理

定子通交流電后出現旋轉磁場，旋轉磁場吸引轉子磁場，轉子磁場就是轉子跟隨定子磁場的旋轉。汽車使用的電機大部分是永磁同步電機，大部分是內嵌式同步電機，其主要原因是內嵌式同步電機充分利用了磁阻轉矩。磁阻轉矩對電機系統的影響是相同的電機電磁場制度下，相同的扭矩可以減少釋放電流，這有利于提高發動機的效率在低速和高扭矩，并減少控制器的主要組件，為降低成本創造了條件。在相同的控制器硬件條件下，高磁阻轉矩電機比低磁阻轉矩電機具有更高的帶速，這有利于提高電機高速小轉矩的工作效率，改善電磁噪聲，提高電機系統的轉速范圍，下圖1是永磁同步電機構成圖。

圖1 永磁同步電機構成圖

3 新能源汽車永磁同步電機的控制

新能源汽車永磁同步電機的控制比較繁瑣，有矢量控制（磁場方向控制）、直接轉矩以及恒壓頻比開環等多種控制模式[2]。

3.1 矢量控制

矢量控制的原理是以轉子磁鏈旋轉空間矢量作為參考指標，將定子電流分解成為2個互相正交的分量：一個與磁鏈方向類似，展示定子電流激勵分量，另一個與磁鏈方向為正。交點闡釋定子電流轉矩分量，獨自把控。永磁同步電機轉速與工頻嚴格同步，轉差率一直是零，控制能力受轉子參數制約很低，矢量控制在永磁同步電機上更容易達到。因為把控結構不復雜，控制軟件容易達到，在調速網絡里有普遍的利用空間。

3.2 直接轉矩控制

直接轉矩控制在矢量控制中不需要旋轉坐標變換和轉子磁鏈，轉矩把電流替換成被控對象。電壓矢量是控制網絡里獨立的輸入。電壓矢量直接控制轉矩于磁鏈的提高或者降低。控制構成不復雜，受電機參數變化的影響，可實現優良的動態性能。由于直接轉矩控制需要結合電動汽車運行過程中復雜的工況，直接轉矩控制難以應用于電動汽車驅動控制系統。

3.3 恒壓頻比開環控制

恒壓比開環控制的控制損耗是電機的外部損耗，便是電壓與頻率。控制網絡把參考電壓與頻率輸入達到控制策略的調節器。再次，逆變器出現一個交變正弦電壓，作用于電機的定子繞組，使它在預定的電壓于頻率下運轉。

恒壓頻比開環控制策略簡單易行，速度由工頻控制。但恒壓頻比開環控制策略沒有引入轉速、位置等反饋信號，難以及時捕捉電機情況，難以精確把控電磁轉矩。當一個負載突然被加載或加速時，極易產生失步。除此之外，它缺乏快速的動態回應特征，控制水平略低。一般僅僅應用于有調速技術需求的常用變頻器。

3.4 驅動電機的主要性能控制

（1）全功率輸出的最小工作電壓：額定電壓不重要，應該注意車輛的電機都是交流，但數據通常由制造商是直流數據需要轉換成一個交流值，并把直流電源轉換為交流電源。當通過控制器時，這個步驟需要一部分電壓。

（2）最大工作相電流：主機工廠提供的數據不能使用，控制器的IGBT能力需要結合。

（3）峰值扭矩：對于商用車客戶來說，有可能阻塞扭矩值。

（4）峰值功率：應該清楚峰值功率是什么速度。

（5）額定功率/扭矩：長期運行的工作點稱為額定功率，而對于OEM來說，合理的額定功率應該是連續的扭矩和功率。例如，電動機高速運行時的功率可視為額定功率。考慮縫制速度下的額定功率。

（6）最大工作速度：最高工作速度包括最高工作速度下的功率、最高速度下的反電勢、最高速度下的機械應力（高速下是否穩定）。

（7）NVH：齒槽扭矩低，反電動勢譜為負。

（8）效率：這里需要注意的數據是電機最常用的效率，也需要注意高效率區域，以適當匹配客戶的需求。

4 結束語

本文分析了目前新能源汽車中電機的現狀，對永磁同步電機在新能源汽車中的應用原理以及應用指標展開了分析，最后指出新能源汽車永磁同步電機的應用控制，一起促進新能源汽車的更好性能。