第四节
电动汽车用永磁电机

一、永磁电机的种类及特点

永磁驱动电机有多种分类方法，根据输入电机接线端的电流种类可分为永磁直流电机和永磁交流电机。由于永磁交流驱动电机没有电刷、换向器或集电环，因此也可称为永磁无刷电机。根据输入电机接线端的交流波形，永磁无刷电机可分为永磁同步电机和永磁无刷直流电机。输入永磁同步电机的是交流正弦或近似正弦波，采用连续转子位置反馈信号来控制换向；而输入永磁无刷直流电机的是交流方波，采用离散转子位置反馈信号控制换向。

由于方波磁场与方波电流之间相互作用而产生的转矩比正弦波大，所以，永磁无刷直流电机的功率密度大，但是由功率器件的换向电流引起的转矩脉动也大。而正弦波产生的转矩基本是恒转矩或平稳转矩，与电磁式同步电机相同。

电动汽车驱动用的永磁无刷电机还有一种新型的永磁混合式电机。这种电机的特点是既有永磁体又有励磁绕组，永磁体通常嵌入转子之中，励磁绕组固定于定子上。这种驱动电机没有采用任何特殊的控制策略，通过调节直流励磁电流来控制气隙磁通，就可获得比其他永磁电机宽的转速范围，特别是在高速区，弱磁控制能很好地满足电动汽车恒功率运行的要求。由于这种电机的结构和磁路与其他电机不同，它可归为另一类永磁无刷电机。

已有的永磁电机可分为永磁直流电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机及混合式电机四类，后三类由于没有传统直流电机的电刷和换向器，故统称为永磁无刷电机。永磁材料是制约永磁电机性能的一个关键因素。材料按照磁导率的值分为反磁材料、顺磁材料和铁磁材料三类。

二、永磁同步电机

永磁同步电机的定子与传统的同步电机一样，转子采用径向永久磁铁做成的磁极（图2-29）。与电磁式同步电机类似，永磁同步电机的转子与旋转磁场同步旋转，旋转磁场的转速取决于电源频率，与多相交流电机的同步电机和感应电机类似，永磁同步电机可以产生理想的恒转矩，也称平稳转矩。

根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机可分为表面式和内置式。表面式同步电机的优点是结构简单，有较大的有效气隙，电枢反应大大降低。与表面式同步电机相比，内置式同步电机有较高的磁显性，可产生额外的磁阻转矩分量，这在恒功率运行时是很有用的。将永磁体嵌入转子，可保持高速运行时的机械完整性。

永磁同步电机的原理如图2-30所示。图2-30a为两相式。当定子A、B相电流的方向改变时，定子A、B相的磁场方向改变，因此永久磁铁就可旋转。图2-30b为三相式， n ₀ 、 T 和 θ 分别为同步转速、转矩和功率角。电机的转子是个永久磁铁，N、S极沿圆周方向交替排列，定子可以看作是一个以速度 n ₀ 旋转的磁场。电机运行时，定子中存在着旋转磁动势，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。

永磁电机因应用永磁体，所以不用励磁，从而省去了励磁功率。永磁同步电机同步运转时，转子既无能耗，又无铁耗，因此效率提高，耗损降低，无功功率很小，其主要特点可归纳为如下4个方面。

①高效节能、功率因数高。永磁同步电机与其他电机效率的比较如图2-31所示。一般效率达到95%以上，比Y系列异步电机提高10%～15%。因永磁同步电机没有励磁功率，无功损耗很小，功率因数为0.95～0.99，接近于1，系统综合节电明显。

②效率曲线平直。永磁同步电机效率曲线好，负载在1/4时，效率仍能达到92%以上。

③结构简单，便于维护。与一般异步电机相同，主要由定子、转子及机壳构成，无集电环、电刷，结构简单、寿命长、维护方便。

④调速精度高。永磁同步电机的转速与频率变化完全同步，不受电源电压和负载变化的影响。在任何情况下，永磁同步电机的转速与同步转速的误差都不大于0.25r/min，如果误差超过0.5r/min，就进入失步状态。

三、永磁无刷直流电机

1.永磁无刷直流电机的结构

永磁无刷直流电机在转子上装有永久磁铁。转子采用径向永久磁铁做成的磁极，磁铁被插入转子内部，或以瓦形固定在转子表面上，所以电机的转子磁路是各向均匀的。转子上无电刷和换向器，转子上不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流。电机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电机十分相似。永磁无刷直流电机在工作时，定子中输入电流的波形通常为方波。

2.永磁无刷直流电机的特点

永磁无刷直流电机因为没有电刷与换向器，所以没有维修与保养的需要；因为采用永磁，所以没有励磁损耗的问题。与其他电机相比，其特点如下：

①低频转矩大，低速可以达到理论转矩输出；起动转矩可以达到额定转矩的两倍或更高，并且过载容量高，负载转矩变动在200%以内输出转速不变。

②转速弹性大，转速范围为几十转到十万转；运转精度高，转速精度可达1/3000r/min，并且不受电压与负载变动的影响。

③结构简单牢固、免维护或少维护，运转费用更低，没有保养维修的烦恼。

④永磁无刷直流电机尺寸小、质量轻，具有很高的功率密度。

⑤综合效率高，明显高出有刷直流电机的效率及欧盟CEMED效率标准。

永磁无刷直流电机的主要不足是励磁不能控制，因此永磁电机不能得到类似于电磁式直流电机的工作特性，另外，控制系统较为复杂。

3.有刷直流电机与永磁无刷直流电机电动汽车的性能比较

采用永磁无刷直流电机的电动汽车与采用有刷直流电机的电动汽车相比，具有明显的优势。其主要优势见表2-2。

四、永磁混合电机

永磁混合电机的结构特点是其转子是混合式永磁型磁性转子。在永磁型磁性转子中嵌入附加励磁绕组来对磁通量进行控制，达到加宽转速范围及改变电机机械特性的目的。因此，控制励磁电流就成了控制这种电机的关键。一般在高速恒功率区运行时，对永磁体产生的气隙磁场进行弱磁控制。永磁混合式电机一般采用串联和并联结构。由于永磁体磁导率低，串联结构通常要求感应电动势较高，所以没有并联结构那么受人们青睐。

永磁混合电机的优点有4个方面：

①永磁体有励磁绕组，气隙磁通密度和功率密度高。

②通过采用磁通集中排列来安装永磁体，使其气隙磁通密度高于单独安装的永磁体。通过调节直流励磁电流的方向和大小，气隙磁通可以灵活调节，因此，转矩—转速特性能满足电动汽车驱动的特殊要求。

③调节励磁电流可减弱永磁体产生的气隙磁通，使恒功率运行的速度范围显著提高。

④适当调节电源电压和直流励磁电流，可以优化电机驱动范围的效率图，因此可以提高电动汽车驱动效率，如爬坡时低速高转矩和巡行时高速低转矩工作区的效率。这类电机的主要缺点是结构相对复杂。

五、永磁同步电机在电动汽车上的应用

与传统的电励磁电机相比，永磁同步电机特别是稀土永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多变等显著优点，在电动汽车电驱动系统中具有很高的应用价值。现在很多电动乘用车均使用永磁同步电机，如日系车中的丰田2010普锐斯，本田INSIGHT和日产ALTIMA。在欧洲各国也大多采用永磁同步电机，如奥迪A8 Hybrid、宝马Active Hybrid7（图2-32），我国现阶段推广应用的主要车型比亚迪e6（图2-33）、北汽C30等也采用永磁同步电机。我国永磁材料资源储备丰富，永磁同步电机制造成本也将进一步降低，相对于其他种类的电机，其优势必将更加显著。