第三章　纯电动汽车驱动电机系统

纯电动汽车驱动电机系统主要由电机和电机控制器组成，其中电机是电动汽车的核心部件之一，其性能的好坏直接影响电动汽车驱动系统的性能，特别是电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等。电动汽车用电机主要有直流电机、无刷直流电机、异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。

第一节　电机主要性能指标

电机是将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的装置，它具有能做相对运动的部件，是一种依靠电磁感应而运行的电气装置。电机主要性能指标有额定功率、峰值功率、额定转速、最高工作转速、额定转矩、峰值转矩、堵转转矩、额定电压、额定电流、额定频率等。

（1）额定功率　额定功率是指电机额定运行条件下轴端输出的机械功率。电机的功率等级为1kW、2.2kW、3.7kW、5.5kW、7.5kW、11kW、15kW、18.5kW、22kW、30kW、37kW、45kW、55kW、75kW、90kW、110kW、132kW、150kW、160kW、185kW、200kW及以上。

（2）峰值功率　峰值功率是指在规定的时间内，电机运行的最大输出功率。

（3）额定转速　额定转速是指电机额定运行（额定电压、额定功率）条件下电机的最低转速。

（4）最高工作转速　最高工作转速是指在额定电压时，电机带载运行所能达到的最高转速，它影响电动汽车的最高设计速度。

（5）额定转矩　额定转矩是指电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。

（6）峰值转矩　峰值转矩是指电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。

（7）堵转转矩　堵转转矩是指转子在所有角位堵住时所产生的最小转矩。

（8）额定电压　额定电压是指电机正常工作的电压。电机电源的电压等级为36V、48V、120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V、540V、600V。

（9）额定电流　额定电流是指电机额定运行（额定电压、额定功率）条件下电枢绕组（或定子绕组）的线电流。

（10）额定频率　额定频率是指电机额定运行条件下电枢（或定子侧）的频率。

当电机在额定运行条件下输出额定功率时，称为满载运行，这时电机的运行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。输出功率超过额定功率时称为过载运行，这时电机的负载电流大于额定电流，将会引起电机过热，从而减少电机的使用寿命，严重时甚至烧毁电机。电机的输出功率小于额定功率时称为轻载运行，轻载运行时电机的效率和功率因数等运行性能均较差，因此应尽量避免电机轻载运行。

第二节　直流电机

直流电机是将直流电能转换成机械能的电机，是电机的主要类型之一，具有结构简单、技术成熟、控制容易等特点，在早期的电动汽车或希望获得更简单结构的电动汽车中应用，特别是场地用电动车辆和低速电动汽车。

一、直流电机的类型

直流电机分为绕组励磁式直流电机和永磁式直流电机。在电动汽车所采用的直流电机中，小功率电机采用的是永磁式直流电机，大功率电机采用的是绕组励磁式直流电机。

绕组励磁式直流电机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式4种类型。

（1）他励式直流电机　他励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。永磁式直流电机也可看作属于他励式直流电机。

他励式直流电机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制，容易实现电动汽车的再生制动要求。但当采用永磁激励时，虽然电机效率高，重量和体积较小，但由于励磁磁场固定，电机的机械特性不理想，驱动电机产生不了足够大的输出转矩来满足电动汽车启动和加速时的大转矩要求。

（2）并励式直流电机　并励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，共用同一电源，性能与他励式直流电机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过它的励磁电流较小。

（3）串励式直流电机　串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。这种电机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励式直流电机通常用较粗的导线绕成，它的匝数较少。

串励式直流电机在低速运行时，能给电动汽车提供足够大的转矩，而在高速运行时，电机电枢中的反电动势增大，与电枢串联的励磁绕组中的励磁电流减小，电机高速运行时的弱磁调速功能易于实现，因此串励式直流电机驱动系统能较好地符合电动汽车的特性要求。但串励式直流电机由低速到高速运行时弱磁调速特性不理想，随着电动汽车行驶速度的提高，驱动电机输出转矩快速减小，不能满足电动汽车高速行驶时由于风阻大而需要输出较大转矩的要求。串励式直流电机运行效率低；在实现电动汽车的再生制动时，由于没有稳定的励磁磁场，再生制动的稳定性差；另外由于再生制动需要加接触器切换，使得驱动电机控制系统的故障率较高，可靠性较差。另外，串励式直流电机的励磁绕组损耗大，体积和重量也较大。

（4）复励式直流电机　复励式直流电机有并励和串励两个励磁绕组，电机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同，称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

复励式直流电机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼，运行效率高。由于电机永磁励磁部分有稳定的磁场，因此用该类电机构成驱动系统时易实现再生制动功能。同时由于电机增加了增磁绕组，通过控制励磁绕组的励磁电流或励磁磁场的大小，能克服纯永磁他励式直流电机不能产生足够的输出转矩来满足电动汽车低速或爬坡时的大转矩要求，而电机的重量或体积比串励式直流电机的小。

各种励磁方式直流电机的电路如图1-71所示。图中，Ia为电枢电流，If为励磁电流，U为电源电压，Uf为励磁电压；I为负载电流。

电动汽车所使用的直流电机主要是他励式直流电机（包括永磁式直流电机）、串励式直流电机和复励式直流电机3种类型。

小功率（100W～10kW）的直流电机采用的是小型高效的永磁式直流电机，可以应用在小型、低速的搬运设备上，如电动自行车、休闲用电动汽车、高尔夫球车、电动叉车等。

中等功率（10～100kW）的直流电机采用他励、复励或串励式，可以用于结构简单、转矩要求较大的电动货车上。

大功率（>100kW）的直流电机采用串励式，可用在要求低速、大转矩的专用电动车上，如矿石搬运电动车、玻璃电动搬运车等。

二、直流电机的结构

直流电机由定子与转子两大部分构成，定子和转子之间的间隙称为气隙，如图1-72所示。

（1）定子部分　直流电机定子主要由主磁极、机座、换向极和电刷装置等组成。

主磁极的作用是建立主磁场，它由主极铁芯和套装在铁芯上的励磁绕组构成。主极铁芯一般由1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成，是主磁路的一部分。励磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势。

机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是电机的结构框架。

换向极的作用是改善直流电机的换向情况，使直流电机运行时不产生有害的火花。它由换向极铁芯和套装在铁芯上的换向极绕组构成。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇流排等组成，用于电枢电路的引入或引出。

（2）转子部分　转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器等。

电枢铁芯既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分，电枢绕组嵌放在电枢铁芯的槽内。电枢铁芯一般用0.55mm硅钢冲片叠压而成。

电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，它是直流电机的电路部分，也是产生电动势和电磁转矩进行机电能量转换的部分。

换向器由冷拉梯形铜排和绝缘材料等构成，用于电枢电流的换向。

三、直流电机的工作原理

如图1-73所示为直流电机的工作原理示意图。图中，定子有一对N、S极，电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和B分别与两个换向片接触。

如果给两个电刷加上直流电源，如图1-73（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出。根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可用左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图1-73（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可用左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电机的工作原理。

外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

四、直流电机的控制

直流电机转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制和电枢回路电阻控制。

（1）电枢调压控制　电枢调压控制是指通过改变电枢的端电压来控制电机的转速。这种控制只适合电机基速以下的转速控制，它可保持电机的负载转矩不变，电机转速近似与电枢端电压成比例变化，所以称为恒转矩调速。直流电机采用电枢调压控制可实现在宽广范围内的连续平滑的速度控制，调速比一般可达1:10，如果与磁场控制配合使用，调速比可达1:30。电枢调压控制需要专用的可控直流电源，过去常用电动-发电机组，现在大、中容量的可控直流电源广泛采用晶闸管可控整流电源，小容量则采用电力晶体管的PWM控制电源，电动汽车用的直流电机常用斩波控制器作为电枢调压控制电源。

电枢调压控制的调速过程：当磁通保持不变时，减小电压，由于转速不立即发生变化，反电动势也暂时不变化，由于电枢电流减小，转矩也减小。如果阻转矩未变，则转速下降。随着转速的降低，反电动势减小，电枢电流和转矩就随着增大，直到转矩与阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来降低了。

（2）磁场控制　磁场控制是指通过调节直流电机的励磁电流改变每极的磁通量，从而调节电机的转速，这种控制只适合电机基数以上的控制。当电枢电流不变时，具有恒功率调速特性。磁场控制效率高，但调速范围小，一般不超过1:3，而且响应速度较慢。磁场控制可采用可变电阻器，也可采用可控整流电源作为励磁电源。

磁场控制的调速过程：当电压保持恒定时，减小磁通，由于机械惯性，转速不立即发生变化，于是反电动势减小，电枢电流随之增加。由于电枢电流增加的影响超过磁通减小的影响，所以转矩也就增加。如果阻转矩未变，则转速上升。随着转速的升高，反电动势增大，电枢电流和转矩也随着减小，直到转矩和阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来升高了。

（3）电枢回路电阻控制　电枢回路电阻控制是指当电机的励磁电流不变时，通过改变电枢回路电阻来调节电机的转速。这种控制方法的机械特性较软，而且电机运行不稳定，一般很少应用。对于小型串励电机，常采用电枢回路电阻控制方式。

第三节　无刷直流电机

无刷直流电机是用电子换向装置代替了有刷直流电机的机械换向装置，保留了有刷直流电机宽阔而平滑的优良调速性能，克服了有刷直流电机机械换向带来的一系列缺点，体积小，重量轻，可做成各种体积形状，高效率，高转矩，高精度，数字式控制，是最理想的调速电机之一，在电动汽车上有着广泛的应用前景。

一、无刷直流电机的类型

无刷直流电机按照工作特性，可以分为具有直流电机特性的无刷直流电机和具有交流电机特性的无刷直流电机。

具有直流电机特性的无刷直流电机，反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，所以又称为矩形波同步电机。这类电机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换向线路以实现无接触式换向。显然，这种无刷直流电机具有有刷直流电机的各种运行特性。

具有交流电机特性的无刷直流电机，反电动势波形和供电电流波形都是正弦波，所以又称为正弦波同步电机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电机。因此，它们具有同步电机的各种运行特性。

下面介绍的无刷直流电机主要是指具有直流电机特性的无刷直流电机。

二、无刷直流电机结构

无刷直流电机主要由电机本体、电子换向器和转子位置传感器3部分组成，如图1-74所示。

（1）电机本体　无刷直流电机的电机本体由定子和转子2部分组成。

定子是电机本体的静止部分，它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。

转子是电机本体的转动部分，是产生励磁磁场的部件，由永磁体、导磁体和支撑零部件组成。

（2）电子换向器　电子换向器由功率变换电路和控制电路构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。无刷直流电机本质上是自控同步电机，电机转子跟随定子旋转磁场运动，因此，应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电，使其产生旋转的定子磁场。无刷直流电机的三相绕组中通过的电流是120°电角度的方波，绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。而在开关换向期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之跳跃了一个电角度。而转子磁场则随着转子连续旋转。这两个磁场的瞬时速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。无刷直流电机由于采用了自控式逆变器即电子换向器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生震荡和失步，这也是无刷直流电机的优点之一。

一般来说，对电子换向器的基本要求是结构简单，运行稳定可靠，体积小，重量轻，功耗小，能按照位置传感器的信号进行正确换向，并能控制电机的正反转，应能长期满足不同环境条件的要求。

（3）转子位置传感器　转子位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换向信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换向。由于功率开关的导通顺序与转子转角同步，因而位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相类似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长等优点，但其体积比较大，信噪比较低且输出为交流信号，需整流滤波后才能使用。光电式位置传感器性能比较稳定、体积小、重量轻，但对环境要求较高。磁敏式位置传感器的基本原理为霍尔效应和磁阻效用，它对环境适应性很强，成本低廉，但精度不高。

如图1-75所示为无刷直流电机实物图。

三、无刷直流电机的工作原理

如图1-76所示为无刷直流电机的工作原理图。

无刷直流电机的工作原理与有刷直流电机的工作原理基本相同。它是利用电机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动电机转子旋转。同时，随着电机转子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，以不断地改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变，这样电机就旋转起来。

四、无刷直流电机的控制

按照获取转子位置信息的方法划分，无刷直流电机的控制方法可以分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。

有位置传感器控制方法是指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子旋转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换向电路提供正确的换向信息，以此控制电子换向电路中的功率开关管的开关状态，保证电机各相按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。

无刷直流电机的无位置传感器控制，无需安装传感器，使用场合广，相对于有位置传感器方法有较大的优势，因此，无刷直流电机的无位置传感器控制近年来已成为研究的热点。无刷直流电机的无位置传感器控制中，不直接使用转子位置传感器，但在电机运转过程中，仍然需要转子位置信号，以控制电机换向。因此，如何通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号，成为无刷直流电机无位置传感器控制的关键。为此，国内外的研究人员在这方面做了大量的研究工作，提出了多种转子位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量实现转子位置的估算。归纳起来，可以分为反电动势法、电感法、状态观测器法、电机方程计算法、人工神经网络法等。

五、无刷直流电机的应用实例

如图1-77所示是搭载无刷直流电机的纯电动桶装垃圾运输车，适用于城市道路、居民小区、公园、车站等带有垃圾桶收集垃圾的场所垃圾收集作业，垃圾收集入垃圾桶后，通过本产品对垃圾桶进行置换与转运作业。该车搭载了大容量磷酸铁锂电池、无刷直流电机，电机额定电压为72V，额定功率为7kW；电池组容量为180A·h；最高车速为50km/h，最大爬坡度为15％，满载续驶里程大于120km。

第四节　异步电机

异步电机又称感应电机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电机。

异步电机的种类很多，最常见的分类方法是按转子结构和定子绕组相数分类。按照转子结构来分，有笼型异步电机和绕线型异步电机；按照定子绕组相数来分，有单相异步电机、两相异步电机和三相异步电机。异步电机是各类电机中应用最广、需求量最大的一种。在电动汽车中，主要使用三相笼型异步电机。下面介绍的异步电机就是指三相笼型异步电机。

一、异步电机的结构

异步电机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙，此外，还有端盖、轴承、机座和风扇等部件。如图1-78所示为三相异步电机的基本结构。

（1）定子　异步电机的定子由定子铁芯、定子绕组和机座构成。

定子铁芯是电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子铁芯一般由0.35～0.5mm厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁芯的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。定子铁芯的槽型有半闭口型槽、半开口型槽和开口型槽三种。

定子绕组是电机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。定子绕组由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同的绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

机座主要用于固定定子铁芯与前后端盖，以支撑转子，并起防护、散热等作用。机座通常为铸铁件，大型异步电机机座一般用钢板焊成，微型电机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电机内外的空气可直接对流，以利于散热。为了实现轻量化，很多机座开始采用铸铝件。

（2）转子　异步电机的转子由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。

转子铁芯也是电机磁路的一部分，并在铁芯槽内放置转子绕组。转子铁芯所用材料与定子一样，由0.5mm厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁芯冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁芯。一般小型异步电机的转子铁芯直接压装在转轴上，大、中型异步电机（转子直径在300～400mm以上）的转子铁芯则借助于转子支架压在转轴上。

转子绕组是转子的电路部分，它的作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电机旋转。转子绕组分为笼式转子和绕线式转子。

转轴用于固定和支撑转子铁芯，并输出机械功率。转轴一般用中碳钢材料。

异步电机定子与转子之间有一个小的间隙，称为电机气隙。气隙的大小对异步电机的运行性能有很大影响。中小型异步电机的气隙一般为0.2～2mm；功率越大，转速越高，气隙长度越大。

二、异步电机的工作原理

如图1-79所示为异步电机的工作原理图。当异步电机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势的方向由右手定则来确定。由于转子绕组是闭合通路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动电机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

异步电机的转子转速不等于定子旋转磁场的同步转速，这是异步电机的主要特点。

如果电机转子轴上带有机械负载，则负载被电磁转矩拖动而旋转。当负载发生变化时，转子转速也随之发生变化，使转子导体中的电动势、电流和电磁转矩发生相应变化，以适应负载需要。因此，异步电机的转速是随负载变化而变化的。

异步电机的转子转速与定子旋转磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响异步电机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值，用转差率表示，即

式中，sn为电机转差率；n1为定子旋转磁场的同步转速，r/min；n为转子转速，r/min。

转差率是异步电机运行时的一个重要物理量。异步电机运行时，取值范围为0<sn<1；在额度负载条件下运行时，一般额定转差率为0.01～0.06。

三、异步电机的控制

异步电机是一个多输入输出系统，其中变量电压、电流、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以又是强耦合的多变量系统。对异步电机的控制主要有转差控制、矢量控制以及直接转矩控制等。

（1）转差控制　转差控制是根据异步电机电磁转矩和转差频率的关系来直接控制电机转矩的，可以在一定的转差频率范围内、一定程度上通过调节转差来控制电机的电磁转矩，从而改善调速系统的控制性能，但其控制理论是建立在异步电机的稳态数学模型基础上的，它适合于电机转速变化缓慢或者对动态性能要求不高的场合。

（2）矢量控制　矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析异步电机内部的电磁过程，是建立在异步电机的动态数学模型基础上的控制方法。它将异步电机的定子电流解耦成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量，分别控制这两个分量就可以实现对异步电机的磁链控制和转矩控制的完全解耦，从而达到理想的动态性能。

（3）直接转矩控制　直接转矩控制是将电机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速。它不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，只是通过控制PWM型逆变器的导通和切换方式，控制电机的瞬时输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性，并且这种方法被推广到弱磁调速范围。逆变器的PWM采用电压空间向量控制方式，性能优越。但同时不可避免地产生转矩脉动，调速性能降低的问题。此外，该方法对逆变器开关频率提高的限制较大，定子电阻对电机低速性能也有较大影响，如在低速区，定子电阻的变化引起的定子电流和磁链的畸变，以及转矩脉动、死区效应和开关频率等问题。

除此之外，PID控制、自适应控制、模糊控制等现代控制和智能控制理论也开始应用于异步电机的控制。

四、异步电机的应用实例

特拉斯电动汽车搭载的是一台375V的异步电机，有3种规格，峰值功率分别为225kW、270kW、310kW，峰值转矩分别为430N·m、440N·m、600N·m。该异步电机能够忍受大幅度的温度变化；输出转矩可以在大范围内调整，无需安装第二套乃至第三套传动机构；体积小，质量轻，仅52kg。因此，特斯拉电动汽车的电机驱动系统具有重量轻、效率高和结构紧凑的优点。如图1-80所示为特斯拉电动汽车采用的交流异步电机。

第五节　永磁同步电机

永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。

一、永磁同步电机的结构

永磁同步电机分为正弦波驱动电流的永磁同步电机和方波驱动电流的永磁同步电机。这里介绍的主要是三相正弦波驱动的永磁同步电机。

永磁同步电机的结构示意图如图1-81所示，和传统电机一样，主要由定子和转子两大部分构成。

定子与普通电机基本相同，由电枢铁芯和电枢绕组构成。电枢铁芯一般采用0.5mm硅钢冲片叠压而成，对于具有高效率指标或频率较高的电机，为了减少铁耗，可以考虑使用0.35mm的低损耗冷轧无取向硅钢片。电枢绕组则普遍采用分布、短距绕组；对于极数较多的电机，则普遍采用分数槽绕组；需要进一步改善电动势波形时，也可以考虑采用正弦绕组或其他特殊绕组。

转子主要由永磁体、转子铁芯和转轴等构成。其中永磁体主要采用铁氧体永磁和钕铁硼永磁材料；转子铁芯可根据磁极结构的不同，选用实心钢，或采用钢板或硅钢片冲制后叠压而成。

与普通电机相比，永磁同步电机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电机驱动控制的目的。

按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电机的磁极结构可分为表面式和内置式2种。

（1）表面式转子磁路结构　表面式转子磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁芯的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种，如图1-82所示。对采用稀土永磁材料的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构；而嵌入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。

表面凸出式转子结构具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使其成为能使电机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电机乃至整个传动系统的性能。

表面嵌入式转子结构可充分利用转子磁路不对称性所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电机所采用，但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。

（2）内置式转子磁路结构　内置式结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁芯内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或启动作用，动态和稳态性能好，广泛用于要求有异步启动能力或动态性能高的永磁同步电机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电机的过载能力或功率密度，而且易于弱磁扩速。

按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子结构又可分为径向式、切向式和混合式三种，如图1-83所示。

径向式转子结构的永磁同步电机的磁钢放在磁通轴的非对称位置上或同时利用径向和切向充磁的磁钢，以产生高磁通密度。该结构的优点是漏磁系数小，转轴上不需采取隔磁措施，极弧系数易于控制，转子冲片机械强度高，安装永磁体后转子不易变形等。

切向式转子结构的转子有较大的惯性，漏磁系数较大，制造工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出。此外，采用该结构的永磁同步电机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的40％，对提高电机的功率密度和扩展恒功率运行范围都是很有利的。

混合式结构集中了径向式和切向式的优点，但结构和制造工艺都比较复杂，制造成本也比较高。

二、永磁同步电机的工作原理

永磁同步电机的工作原理如图1-84所示，图中n为电机转速，n0为同步转速，T为转矩，θ为功率角。电机的转子是一个永磁体，N、S极沿圆周方向交替排列，定子可以看成是一个以速度n0旋转的磁场。电机运行时，定子存在旋转磁动势，转子像磁针在旋转磁场中旋转一样，随着定子的旋转磁场同步旋转。

同步电机转速可表示为

式中，fs为电源频率；pn为电机极对数。

永磁同步电机的定子是三相对称绕组，三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并力图使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个功率角，负载越大，功率角也越大，直到一个极限角度，电机停止。由此可见，同步电机在运行中，转速必须与频率严格成比例旋转，否则会失步停转。所以，它的转速与旋转磁场同步，其静态误差为零。在负载扰动下，只是功率角变化，而不引起转速变化，它的响应时间是实时的。

三、永磁同步电机的控制

为了提高永磁同步电机控制系统的性能，使其具有更快的响应速度、更高的转速精度、更宽的调速范围，提出了各种新型控制策略用于永磁同步电机控制。永磁同步电机控制主要有矢量控制、直接转矩控制、智能控制等。

（1）矢量控制　永磁同步电机矢量控制策略与异步电机矢量控制策略有些不同。由于永磁同步电机转速和电源频率严格同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转差恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。因此，在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。

（2）直接转矩控制　直接转矩控制不需要矢量控制复杂的旋转坐标变换和转子磁链定向，转矩取代电流成为受控对象，电压矢量则是控制系统唯一的输入，直接控制转矩和磁链的增加或减小，但是转矩和磁链并不解耦，对电机模型进行简化处理，没有PWM信号发生器，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获得极佳的动态性能。

（3）智能控制　为了提高永磁同步电机的控制性能和控制精度，模糊控制、神经网络控制等开始应用于同步电机的控制。

采用智能控制方法的永磁同步电机控制系统，在多环控制结构中，智能控制器处于最外环充当速度控制器，而内环电流控制、转矩控制仍采用PI控制、直接转矩控制这些方法，这主要是因为外环是决定系统的根本因素，而内环主要的作用是改造对象特性以利于外环的控制，各种扰动给内环带来的误差可以由外环控制或抑制。

在永磁同步电机系统中应用智能控制时，也不能完全摒弃传统的控制方法，必须将两者很好地结合起来，才能彼此取长补短，使系统的性能达到最优。

四、永磁同步电机的应用实例

北京汽车集团有限公司推出的首款B级电动汽车——绅宝EV，如图1-85所示。该车搭载了大容量三元体系锂离子动力电池、高效率永磁同步电机，其峰值功率输出达40kW，峰值转矩为127N·m，并匹配电动汽车特有的减速器。该车最高车速为130km/h，满电情况下，最大续驶里程为150km。

宝马i3纯电动汽车是宝马公司的第一款综合了环保技术以及功能性创新的量产车，如图1-86所示。该车采用后置后驱的布置形式，永磁同步电机位于后桥后方，最大输出功率为125kW，最大输出转矩为250N·m，搭载了一套22kW·h的锂离子电池，0～100km/h的加速时间为7.2s，最高车速为150km/h，在一次充满电的情况下，续驶里程为130～160km。

第六节　开关磁阻电机

开关磁阻电机是继直流电机和交流电机之后，又一种极具发展潜力的新型电机。开关磁阻电机是采用定转子凸极且极数相接近的大步距磁阻式步进电机的结构，利用转子位置传感器通过电子功率开关控制各相绕组导通使其运行的电机。

一、开关磁阻电机的结构

开关磁阻电机由双凸极的定子和转子组成，如图1-87所示，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。

开关磁阻电机有多种不同的相数结构，如单相、两相、四相及多相等，且定子和转子的极数有多种不同的搭配。低于三相的开关磁阻电机一般没有自启动能力。相数多，有利于减小转矩脉动，但结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是四相8/6极结构和三相6/4极结构。下面介绍的开关磁阻电机的结构为四相8/6极结构。

二、开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机的工作原理示意图如图1-88所示。图中，S1、S2代表电子开关；VD1、VD2代表二极管，U代表直流电源。

电机的定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。

开关磁阻电机的磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化。因为电感与磁阻成反比，所以当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大；当转子磁极中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。

因为开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，所以具有一定形状的铁芯在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主轴线与磁场的轴线重合。由图1-88中可看出，当定子D-D’极励磁时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线1-1’与定子极轴线D-D’重合的位置，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给D-A-B-C相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给B-A-D-C相通电，则电机即会沿着顺时针方向转动。所以开关磁阻电机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。

三、开关磁阻电机的控制

开关磁阻电机不同于常规的感应电机，因其自身结构的特殊性，既可以通过控制电机自身的参数（如开通角、关断角）来实现，也可以用适用于其他电机上的控制理论，如PID控制、模糊控制等，对功率变换器部分进行控制，进而实现电机的速度调节。

针对开关磁阻电机自身参数进行控制，主要有角度位置控制、电流斩波控制和电压控制。

（1）角度位置控制　角度位置控制是在加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角和关断角，来改变绕组的通、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环控制。当电机转速较高时，旋转电动势较大，则此时电流上升率下降，各相的主开关器件的导通时间较短，电机绕组的相电流不易上升，电流相对较小，便于使用角度位置控制方式。

因为开通角和关断角都可调节，角度位置控制可分为变开通角、变关断角和同时改变开通角及关断角三种方式。改变开通角，可改变电流波形的宽度、峰值和有效值的大小，还可改变电流波形与电感波形的相对位置，从而改变了电机的转矩和转速。而关断角一般不影响电流的峰值，但可改变电流波形的宽度及其与电感曲线的相对位置，进而改变电流的有效值。故一般采用固定关断角、改变开通角的控制方式。

根据开关磁阻电机的转矩特性，当电流波形主要位于电感的上升区时，产生的平均电磁转矩为正，电机运行在电动状态；当电流波形主要位于电感的下降段时，产生的平均电磁转矩为负，电机工作在制动状态。而通过对开通角、关断角的控制，可以使电流的波形处在绕组电感波形的不同位置。因此，可以用控制开通角、关断角的方式来使电机运行在不同的状态。

角度位置控制的优点在于，转矩调节的范围宽；可同时多相通电，以增加电机的输出转矩，同时减小了转矩波动；通过角度的优化，能实现效率最优控制或转矩最优控制。

角度位置控制不适于低速场合，因为在低速时，旋转电动势较小，使电流峰值增大，必须采取相应措施进行限流，故一般用于转速较高的场合。

（2）电流斩波控制　电机低速运行特别是启动时，旋转电动势引起的压降很小，相电流上升快，为避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电机造成损坏，需要对电流峰值进行限定，因此，可采用电流的斩波控制，获取恒转矩的机械特性。电流斩波控制一般不会对开通、关断角进行控制，它将直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。

电流斩波控制的优点在于，它适用于电机的低速调速系统，可以控制电流峰值的增长，并有很好的电流调节作用；因每相电流波形会呈现出较宽的平顶状，使得产生的转矩比较平稳，转矩的波动相应地比其他控制方式要小。

然而，由于电流的峰值受到了限制，当电机转速在负载的扰动作用下发生变化时，电流的峰值无法做出相应的改变，使得系统的特性比较软，因此系统在负载扰动下的动态响应很缓慢。

（3）电压控制　电压控制是保持开通角、关断角不变的前提下，使功率开关器件工作在PWM方式。通过调节PWM波的占空比，来调整加在绕组两端电压的平均值，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。若增大调制脉冲的频率，就会使电流的波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但对功率开关器件的工作频率的要求就会增大。

电压控制的优点在于，它通过调节绕组电压的平均值进而调节电流，因此可用在低速和高速系统，且控制简单，但它的调速范围有限。

开关磁阻电机也可以采用多种控制方式相组合的方法。如高速角度控制和低速电流斩波控制组合，变角度电压斩波控制和定角度电压斩波控制等。这些组合方式各有优势及不足，因此必须针对不同的应用场合和不同的性能要求，合理地选择控制方式，才能使电机运行于最佳状态。

第七节　轮毂电机

轮毂电机技术又称为车轮内装式电机技术，是一种将电机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置技术，是现阶段先进电动汽车技术研究的热点之一。

从各种驱动技术的特点和发展趋势来看，采用轮毂电机技术是电动汽车的最终驱动形式。随着电池技术、动力控制系统和整车能源管理系统等相关技术研发的不断深入，电机性能的不断提高，轮毂电机技术将在电动汽车上取得更大成功。

一、轮毂电机的结构形式

轮毂电机驱动系统的结构如图1-89所示。

轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构，即内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机，电机的最高转速为1000～1500r/min，无减速机构，车轮的转速与电机相同；而内转子式则采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，为获得较高的功率密度，电机的转速可高达10000r/min，减速结构通常采用传动比在10:1左右的行星齿轮减速机构，车轮的转速在1000r/min左右。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现，内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。

如图1-90所示为轮毂电机驱动系统分解示意图。

高速内转子的轮毂电机具有较高的比功率，重量轻，体积小，效率高，噪声小，成本低；缺点是必须采用减速机构，使效率降低，非簧载重量增大，电机的最高转速受线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制。低速外转子电机结构简单、轴向尺寸小，比功率高，能在很宽的速度范围内控制转矩，且响应速度快，外转子直接和车轮相连，没有减速机构，因此效率高；缺点是如要获得较大的转矩，必须增大电机体积和重量，因而成本高，加速时效率低，噪声大。这两种结构在目前的电动汽车中都有应用，但是随着紧凑的行星齿轮变速机构的出现，高速内转子式驱动系统在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。

轮毂电机动力系统由于电机电制动容量较小，不能满足整车制动效能的要求，通常需要附加机械制动系统。轮毂电机系统中的制动器可以根据结构采用鼓式或盘式制动器。由于电机电制动容量的存在，往往可以使制动器的设计容量适当减小。大多数的轮毂电机系统采用风冷方式进行冷却，也有采用水冷和油冷的方式对电机、制动器等的发热部件进行散热降温，但结构比较复杂。

二、轮毂电机的应用类型

轮毂电机系统的驱动电机按照电机磁场的类型分为轴向磁场和径向磁场两种类型。轴向磁通电机的结构更利于热量散发，并且它的定子可以不需要铁芯；径向磁通电机定转子之间受力比较均衡，磁路由硅钢片叠压得到，技术更简单成熟。

轮毂电机的类型主要分为永磁、异步、开关磁阻式。

无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种电动汽车中获得应用。

异步电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，转矩脉动小，噪声低，不需要位置传感器，转速极限高；缺点是驱动电路复杂，成本高，相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。

开关磁阻式电机具有结构简单、制造成本低廉、转速/转矩特性好等特点，适用于电动汽车驱动；缺点是设计和控制非常困难和精细，运行噪声大。

三、轮毂电机的驱动方式

轮毂电机的驱动方式可以分为直接驱动和减速驱动两种基本形式。

1.直接驱动

轮毂电机直接驱动方式如图1-91所示，采用低速外转子电机，轮毂电机与车轮组成一个完整部件总成，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。其主要优点是电机体积小，重量轻，成本低，系统传动效率高，结构紧凑，既有利于整车结构布置和车身设计，也便于改型设计。这种驱动方式直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动车轮转动。由于电动汽车在起步时需要较大的转矩，所以安装在直接驱动型电动轮中的电机必须能在低速时提供大转矩；承载大转矩时需要大电流，易损坏电池和永磁体；电机效率峰值区域很小，负载电流超过一定值后效率急剧下降。为了使电动汽车能够有较好的动力性，电机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围。由于电机工作产生一定的冲击和振动，要求车轮轮辋和车轮支撑必须坚固、可靠，同时由于非簧载重量大，要保证电动汽车的舒适性，要求对悬架系统进行优化设计。此方式适用于平路或负载小的场合。

2.减速驱动

轮毂电机减速驱动方式如图1-92所示，采用高速内转子电机，适合现代高性能电动汽车的运行要求。这种电动轮采用高速内转子电机，其目的是为了获得较高的功率。减速机构布置在电机和车轮之间，起减速和增矩的作用，保证电动汽车在低速时能够获得足够大的转矩。电机输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使电机轴承不直接承受车轮与路面的载荷作用，改善了轴承的工作条件；采用固定速比行星齿轮减速器，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，消除了车轮尺寸对电机输出转矩和功率的影响。但轮毂电机内齿轮的工作噪声比较大，并且润滑方面存在很多问题；其非簧载重量也比直接驱动式电动轮电驱动系统的大，对电机及系统内部的结构方案设计要求更高。

从电动汽车各种驱动技术的特点和发展趋势来看，轮毂电机驱动技术将是未来电动汽车的主要驱动形式。

第八节　电机控制器

电机控制器是控制动力电源与电机之间能量传输的装置，它由控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成。

一、电机控制器的组成与原理

电机控制器是由逆变器和控制器两部分组成的，如图1-93所示。逆变器接收电池输送过来的直流电能，逆变成三相交流电给电动汽车驱动电机提供电源；控制器接收电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加速行为时，控制器控制变频器频率的升降，从而达到加速或者减速的目的。

二、电机控制方式

电机控制方式主要有电压控制方式、电流控制方式、频率控制方式、弱磁控制、矢量控制、直接转矩控制。

（1）电压控制方式　电压控制方式是通过改变电机端电压而实现转速控制的控制方式。

（2）电流控制方式　电流控制方式是通过改变电机绕组电流而实现转速控制的控制方式。

（3）频率控制方式　频率控制方式是通过改变电机的电源频率而实现转速控制的控制方式。

（4）弱磁控制　弱磁控制是通过减弱气隙磁场控制电机转速的控制方式。

（5）矢量控制　矢量控制是将交流电机的定子电流作为矢量，经坐标变换分解成与直流电机的励磁电流和电枢电流相对应的独立控制电流分量，以实现电机转速/转矩控制的方式。

（6）直接转矩控制　直接转矩控制是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得转矩的高动态性能的控制方式。

随着电动汽车和控制技术的发展，现代控制和智能控制在电机控制中的应用已成为趋势。

三、电机控制器容量等级

电机控制器选择必须与电机相匹配。控制器容量等级为5kV·A、10kV·A、15kV·A、35kV·A、50kV·A、60kV·A、100kV·A、150kV·A、200kV·A、270kV·A、300kV·A、360kV·A、420kV·A及以上。

额定电压小于或等于360V和额定功率小于或等于200kW单台电机与控制器输出容量的匹配关系见表1-19。

四、电机控制器实例

如图1-94所示为无刷直流电机控制器，它除了具有调速功能外，还具有能量回收功能，把制动时整车的动能通过电机发电产生电能回馈到电池，既可以最大限度地减少摩擦制动造成的能量损失，又可以提高电动汽车的续驶里程，降低运营成本，提高运营效率。

无刷直流电机控制器具有以下特点。

①电路具有完善的保护功能。具有过热保护、限流保护、异常保护和欠压保护功能。过热保护功能可避免调速器内部元件工作在过热环境中，能显著延长元件工作寿命；限流保护功能除了能在电机堵转时保护调速器内部元件外，还能防止电机过热；异常保护功能能在调速器或电机出现异常时迅速关断，避免故障进一步扩大；欠压保护功能可以避免蓄电池过度放电，显著延长蓄电池寿命，减少用户不必要的损失。

②经过严格的密封性测试，保证了其优良的防水防潮性能。

③控制器具有符合国际通用标准的CAN总线功能，便于与整车控制系统联网使用，达到快捷智、能化控制。

第九节　驱动电机系统接口

为了增强电机及控制器的可互换性，需要规范驱动电机系统电气及机械接口。

一、接口类型

电动汽车用驱动电机系统接口包括电气接口、机械接口和冷却液管路接口。

（1）电气接口　电气接口是连接驱动电机与控制器、控制器与整车的电气组件，包括动力电气接口及信号电气接口。动力电气接口是连接驱动电机与控制器、控制器与整车的动力电气组件，包括控制器动力输入接口、控制器动力输出接口、电机动力输入接口；信号电气接口是连接驱动电机与控制器、控制器与整车的信号电气组件，包括电机信号电气接口、控制器信号电气接口。

（2）机械接口　机械接口是驱动电机系统与相关部件的机械连接部件，包括电机与传动部件接口等。

（3）冷却液管路接口　冷却液管路接口是驱动电机系统与整车冷却液管路的接口。

二、连接方式

1.动力电气接口的连接方式

动力电气接口的连接方式包括快速连接方式和固定连接方式。快速连接方式采用快速连接器连接，同一型号快速连接器的插头、插座之间应能完全互换；固定连接方式采用连接端子连接。

2.信号电气接口的连接方式

电机控制信号推荐采用12针或8针的法兰式连接器，其连接器安装尺寸及安装方式如图1-95和1-96所示。

3.机械接口

电机和控制器的安装方式由生产单位与用户协商确定，满足整车抗振性和防护要求。电机与传动机构的连接方式由制造商与用户协商确定。纯电动乘用车用驱动电机与传动机构推荐采用渐开线外花键连接方式，渐开线外花键优先采用表1-20中的参数。

4.冷却液管路接口

使用冷却液的电机与控制器应按表1-21的要求选配冷却液接口。