汽車永磁同步電機發展現狀及技術挑戰

彭蕾 黃曉東 李春霞 李小麟 王凱

摘 要：20世紀隨著釤鈷永磁體和釹鐵硼永磁體的相繼研制成功，永磁同步電機成為電機領域不可或缺的主要角色。本文分析了汽車用永磁同步電機的發展現狀及遇到的難題，指出國內外汽車領域因稀土資源對永磁電機需求的差異，列舉了高熱、振動對永磁同步電機永磁體退磁的影響，參照標準GB/T 18488-2015分析了不利因素對試驗結果的影響。總結了目前主流的解決技術，即通過建立熱量模型設定溫度上限，利用傳感器、信號傳輸、計算機控制結合在力矩控制、位置、速度上做到精確管理。

關鍵詞：汽車，永磁同步電機，標準，電機控制

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.034

0 引 言

永磁電機是世界上出現的第一種電動機產品，是汽車領域驅動的核心部件。20世紀90年代，豐田汽車公司研制的某型汽車就搭載了功率最大為50kW，轉速最大為1300r/min的永磁同步電機作為驅動電機，該電機是由東京電機公司設計并制造的一款插入式永磁同步電機。隨著近幾年集成電路技術、電子元件技術和微型計算機技術的迅速發展，永磁電機憑借其功率大、高效率、體積小、低能耗等優勢迎來了屬于它的時代，無論是航天領域、農用領域、軍工領域、民用領域都得到廣泛應用并結出果實。

1 汽車用永磁電機的發展現狀

比較相同功率的永磁同步電動機和異步電機，永磁電機具有重量輕、響應速度快、制動性能和極限轉速表現優秀等優點，而且永磁體代替了普通異步電機的激磁線圈后也節約了大量的電能資源，因此目前國內大部分電動汽車生產商和國外部分車商都采用永磁同步電機作為驅動的核心（見表1）。

觀察表1不難發現，歐美的主流電動車制造商都是采用異步感應電機作為驅動部件，而不是采用本文提到的永磁同步電機的方案。這是因為永磁同步電機用到的原材料價格非常昂貴，整體材料價格的50%以上都用來購買永磁材料。稀土資源是永磁材料的原材料，在國外稀土礦屬于極為稀缺的資源，價格貴而且不易獲得。但中國擁有的稀土資源存儲量占全球70%以上，是世界著名的“稀土王國”，全世界的永磁同步電動機所需稀土材料大部分都靠我國出口，這是歐美制造商不選用永磁同步電機的主要原因，也是我國本土車企的天然優勢。

2 汽車用永磁同步電機的優點和缺點

2.1 永磁同步電機的優點

1）運行效率高：磁鐵提供勵磁的磁場，節省勵磁磁場所需的電能能源；

2）調速區間相對異步電機較大：永磁體作為勵磁磁場，調整其電流、頻率即可大范圍調整電機功率、轉速；

3）小體積、輕量化：簡單的結構和構造使得永磁同步電機的制造更容易實現小型化；

4）發熱小，密封性強，免維護。

2.2 永磁同步電機的缺點

1）抗震動性能差：永磁材料為釹鐵硼強磁材料，材料特性硬且脆，受到強烈震動可能會破裂或震碎；

2）抗熱沖擊性能差：電機轉子的材料為永磁體，電機在運轉時間較長等因素導致的溫度過高情況下會引起磁鐵退磁，造成動力急劇下降。

3 汽車用永磁同步電機的技術挑戰及對檢驗項目的影響

3.1 退磁現象

在高溫、反復震動的復雜環境下汽車用永磁同步電機極易出現嚴重且不可逆的退磁現象，如環境高溫、熱量集聚等原因導致的退磁。退磁后，電機性能會下降甚至完全不能滿足工況，參照標準GB/T 18488.2-2015相應技術要求，效率特性試驗項目、驅動電機的空載損耗及溫升試驗結果必定會受到較大影響。解決方案一種是在初始階段進行處理，開發高磁性、高耐熱性的材料，比如釹鐵硼做為永磁體；第二種方案就是提升電機抗磁化，具體是降低負載最大值，增加散熱措施，增加反饋頻率，避免頻繁啟動等措施。

3.2 控制技術

永磁同步電機的磁場不同于其他電機，是由永磁體提供，磁場在外部調節非常困難。新能源汽車產業的高速發展推動了電機控制系統的進步[1]。參照標準GB/T 18488.2-2015相應技術要求，電動工況、發電工況及溫升試驗等受控制影響較大的試驗項目的試驗結果和生成曲線會受到較大影響。目前學者們已經研究了很多電機控制策略，如比例積分線性控制、直接轉矩控制[2]、電流預測控制[3]等等。目前階段的解決方法是忽略磁場控制，只進行電動機電樞控制。利用傳感器、電子傳輸和微機控制相結合的方式來進行永磁同步電機的控制，在位置、轉速、力矩的控制上做到精確管理。具體工作原理是通過永磁同步電動機的初始角、矢量控制、直接轉矩控制的方式對電機的工作狀態進行及時準確地調節與控制。

其中矢量控制是應用到的關鍵方法和技術，矢量控制的核心技術就是對定子的電流在轉子旋轉坐標系（d軸、q軸坐標系）中的兩個分量分別進行控制。電機電磁轉矩的大小由d、q軸電流分量來決定，一旦確定了輸出轉矩，就產生了幾個不同控制組合，不同的組合將對整個系統的轉矩的輸出能力、效率、功率因數以及電機端電壓造成很大影響。

3.3 參數變化導致的電流預測偏差

永磁同步電機無差拍電流預測的控制嚴重依靠電機的設計參數，當電機參數發生變化時會出現諧波量增大、電流跟不上等嚴重的控制問題。直接在汽車上的表現就是實際輸出跟設置參數不對應，系統反饋錯誤，系統故障等。

標準GB/T 18488.2-2015中可靠性試驗項目又細分為固定工況耐久測試和實測路況[4]兩個項目，固定工況耐久測試是根據用戶設定的轉速扭矩工作點及時間，依照順序連續試驗；實測路況則是將整車實測的路況導入到測試程序中，實現相應轉速扭矩的連續控制模擬實際路況，很明顯參數變化將會直接影響到該項試驗的結果。為了攻克這個關鍵問題，專家學者進行了以下探究，提出解決方案。第一種是用誤差模型將電動機的參數進行解耦[5]，并利用卡爾曼濾波器對電機參數進行準確識別，避免參數的變化帶來影響，其缺點是工作耗費時間太長；第二種是用龍伯格觀測器針對預測的電壓進行補償[6]，消除了參數擾動的不利影響，利用函數代替觀測器增益參數，優化了龍伯格觀測器在電機運行初始階段出現的擾動峰值問題；第三種是通過觀察q軸的電壓公式（1）和磁鏈公式（2）引入增量預測模型對其中參數進行控制。

uq =RSiq +dψq /dt-ωrψd （1）

ψq =L qiq （ 2）

式中：uq /iq ——定子的電壓、q 軸電流分量；

RS ——定子繞組阻抗；

ψd /ψq ——d /q 軸定子磁鏈分量；

ωr ——d /q 軸轉子的電角速度。

增量預測模型整體思路是依靠相鄰的兩個時間段預測電流值，將這兩個時間段的電流值求差即可去除q 軸預測電流模型中的磁

iq （ k+1） =iq （k）（2-TR /L ）-iq （k-1）（1-TR /L ）-Tωe×[id （k）-id （k-1）]+T /L [uq （k）-uq （k-1）] （3）

式（3）中可以發現模型擺脫了磁鏈變化的影響，實現了無磁鏈增量預測控制[2]。此方法解決了磁鏈的相關參數缺少或者磁鏈相關參數完全消失情況下汽車電機依然能夠正常運行，能有效抑制磁鏈和電感不匹配引發的不利影響。

4 汽車用電機的研究熱點

因為直流電動機結構簡單，并且具有很好的電磁轉矩控制的特點，也容易控制，所以電動汽車最早使用的驅動電機是直流電動機，但因為其獨特的換向結構，維護成本較高，并極易產生電火花造成危險，這對電動汽車無疑是致命缺陷。而后來的感應電動機和開關磁阻電動機驅動系統也因為其轉速控制困難，轉矩、噪聲、振動、控制方式等缺陷未在汽車領域得到大力推廣。永磁同步電動機驅動的控制系統具有高轉矩密度、高精度控制、較好的轉矩平穩性[7]以及低振動低噪聲等諸多優點，結合第4章中的問題分析和解決方案，通過設計合理的控制系統能適用汽車電動機的諸多需求，因此永磁同步電動機在電動汽車驅動方面目前具有不可替代的優越性（見表2）。

作為汽車驅動系統的心臟，驅動電機的總體性能是研制技術的關鍵[8]，其技術的研究熱點以后將主要集中在重量更輕、體積更小，提高控制及運轉效率良好的抗過載能力及瞬時加速性能，提高輸出轉矩并降低轉矩脈動，提高弱磁擴速能力幾個方面。

5 結 語

經過對永磁同步電動機理論和技術的研究不難發現，制約電動汽車發展的關鍵因素是以電機為核心部件的驅動系統，永磁同步電機因其良好的匹配度也成為汽車領域不斷深入研究的主要方向。隨著永磁材料性能的提高和成本的降低、電機性能的整體提高、控制技術的趨于成熟[9]，永磁同步電動機必將在電動汽車領域有更廣闊的應用前景。同時也應該對汽車用永磁同步電動機的諸多技術挑戰進行潛心研究，依據標準GB/T 18488.2-2015的試驗項目進行電機的整體優化，并在材料研究、轉矩提高、增加效率、優化控制等方向加大投入，不斷努力。

參考文獻

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作者簡介

彭蕾，碩士研究生，高級工程師，研究方向電氣領域的標準研究和國際認證。

（責任編輯：袁文靜）