2.4　永磁同步驱动电机

永磁同步驱动电机具有无刷直流电机的结构简单、运行可靠、功率密度大、调速性能好等特点，同时还具有噪声低、体积小、布置灵活、控制精度高、坚固耐用的优点。永磁同步驱动电机一般转速范围为4000～10000r/min，是多数混合动力电动汽车和高端电动汽车驱动电机的首选类型。上海汽车集团的荣威E50采用的是永磁同步驱动电机，使用镍钴锰酸锂电池，匀速工况下续驶里程为220km。荣威E50纯电动轿车是我国第一款自主开发的新能源纯电动汽车，采用完全自主研发、并达世界一流水平的高性能永磁同步电机。

2.4.1　荣威E50纯电动汽车简介

E50可在低转速下输出高转矩，起步迅猛，0～50km/h加速性能为5.6s，最大功率为52kW，峰值转矩达155N·m。该车运用各种科技手段与技术，最大限度地减轻了车重，在欧洲NEDC工况下，荣威E50的最高有效续驶里程为170km（匀速工况下最高可达220km）。荣威E50采用了完全自主开发的电动转向系统（EPS），具有低能耗、转向精准、低速轻便、高速稳定、自回正等特点。

电动车特有的车体重心设计与传统内燃机车不同，荣威E50采用全新构架纯电动车平台研发，将电机与电池合理布局，实现良好的重量平衡配比，使行车操作更为灵巧，出行更为便捷，尤其适合城市使用。与传统汽油微型车相比，荣威E50无需过多能耗即可换来高效能，让行车成本更低，带来更多经济效益。

2.4.2　永磁同步电机的结构原理

汽车在起步、加速阶段或爬坡时需要较大的牵引力，驱动电机转速较低；在高速行驶时需要的牵引力较小，驱动电机转速较高。目前在电动汽车上使用的永磁同步电机有直流无刷永磁同步电机（BLDCM）和交流永磁同步电机（PMSM）。

（1）永磁同步电机结构　以荣威E50纯电动汽车采用的直流无刷永磁同步电机为例，其结构如图2-18所示，主要由定子绕组、转子磁铁和霍尔传感器三部分组成。

定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁芯对称分布，在空间互差120°电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。定子绕组形连接成三相整距绕组。

转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作为永磁材料。采用永磁体简化了电机的结构，提高了可靠性，没有转子铜耗，提高了电机的效率。永磁体的弧极为180°，永磁体产生的气隙磁场呈梯形波分布，线圈内感应电动势也是交流梯形波。

霍尔效应式转速传感器是一种小型封闭式传感器，具有性能稳定、功耗小、抗干扰能力强、使用温度范围宽等优点。其原理是在旋转物体上粘一小块磁钢，传感器固定在离磁钢一定距离内，对准磁钢S极即可进行测量。当磁力线穿过传感器上感应元件时产生霍尔电动势，经过霍尔芯片的放大整形后，形成电信号供控制器和二次仪表等使用。

三相永磁同步电机是从绕线式转子同步伺服电机发展而来的，采用强抗退磁的永磁体转子代替了绕线式转子，具有体积和质量小、惯性低、效率高等特点。永磁同步电机转子分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子将永磁体安装在转子轴的表面。凸极式永磁转子模型如图2-19所示。在转子轴上粘贴安装永磁体，永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴和直轴上的电感相同。嵌入式永磁转子则将永磁体嵌入转子轴内部，如图2-20所示。这种类型的电机转子交轴的电感大于直轴的电感，电机除了电磁转矩外还有磁阻转矩的存在。一般电动汽车驱动电机多采用这种形式，能够利用这种磁阻转矩，通过调整和控制转矩角，用最小的电流幅值来获得最大的输出转矩。

荣威E50直流无刷永磁同步电机的控制方式采用两两绕组通电方式，每一瞬间有两个功率开关导通，每隔60°换相一次，每次换相一个功率开关，每个功率开关导通120°电角度。功率开关的导通顺序依次为VF1VF2—VF2VF3—VF3VF4—VF4VF5—VF5VF6—VF6VF1—……如图2-21所示。三只霍尔集成电路传感器按相位差120°安装在电机尾端，用以检测转子的位置。

（2）永磁同步电机的原理　车辆上动力电池提供的直流电经驱动电路（IGBT），变换为电压幅值和频率可调的三相交流电，驱动电机运转；同时检测当前的转子位置信号，对电机的相电流进行实时采样，并送入驱动电机的控制器，电机控制器根据整车需求转矩指令、运行模式和旋转方向，并根据反馈得到的电机转子位置信号，控制电机驱动产生所需要的三相交流电，从而实现电机的正常运转。

永磁同步电机的转速控制分为两个阶段：低速阶段，通电后随着电压的升高电机转速从零开始上升到一定转速，同时端电压也上升直至达到最大值；高速阶段，端电压达到最大值后若希望再继续升高转速，就必须降低电机的励磁电流，使磁场减弱，才能保持转子所产生的电动势和电压平衡。由于永磁同步电机的励磁电动势由永磁体产生，所以无法调节，只有通过调节定子电流，即增加定子直轴的去磁电流分量，来维持电机高速运行时的电压平衡，从而达到弱磁增速的目的。

弱磁控制的目的是提高驱动电机转速，在进行弱磁控制时必须确定弱磁控制的转速区域，即确定何时进行弱磁控制。电机控制器的电流饱和是由于电机的反电动势升高，当电机端电压达到逆变器能够输出的最高电压时，电机电流不能跟随给定电流而引起的。当电流调节饱和后，电机的功率随转速先增大后减小。

电机转速公式为

n=-Ta　　

式中　n——电机转速，r/min；

　　   U——电源电压，V；

　　 ΔU——功率开关压降，V；

　  　Ke——电动势系数；

　  　Ta——电机产生的平均电动转矩，N·m；

　  　KT——转矩系数；

　  　R ——电机的内阻。

例　某电动汽车的驱动电机，采用嵌入式转子结构，其额定电压为336V，额定转速为3000r/min，定子电阻Rs为0.05Ω，直轴电感Ld为0.635mH，交轴电感Lq为1.635mH，永磁体磁通Φ为0.192Wb，极对数为4。如图2-22所示，永磁电机的转速在0.05s内由零上升至500r/min，若采用普通控制方式，电机转速最高只能达到3000r/min，实施弱磁控制后电机转速在0.2～0.3s内上升至6000r/min，最后稳定运转在6000r/min。该电机的外特性曲线如图2-23所示，从外特性曲线看出，电机在小于额定转速时基本保持恒转矩输出；在大于额定转速时则恒功率输出，转矩下降；在进入弱磁控制模式高速运转时，转矩和功率均下降。