全屏显示专题章节

与电动机的工业应用不同，用于电动汽车的电动机通常要求频繁地起动和停车、高变化率的加速度/减速度、高转矩且低速爬坡、低转矩且高速行驶以及非常宽的运行速度范围。应用于电动汽车的驱动电动机可分为两大类，即有换向器电动机和无换向器电动机，如图5-2所示。

有换向器电动机主要指传统的直流电动机，包括串励、并励、激励和永磁（PM）励磁的直流电动机。直流电动机需要换向器和电刷以供电给电枢，因而使该类电动机可靠性降低，不适合免维护运行和高速运行。此外，线绕式励磁的直流电动机其功率密度低。然而，由于技术成熟和控制简单，直流电动机驱动一直在电驱动系统中有着突出的地位。

最近，技术的发展已将无换向器电动机推进到一个应用的新阶段。与有换向器直流电动机相比，无换向器电动机的优点包括高效率、高功率密度、低运行成本、高可靠性以及免维护。因而，当今无换向器电动机更受人们青睐。

作为一种驱动电动汽车的无换向器电动机，异步电动机得到了广泛应用。这是因为异步电动机的低成本、高可靠性和免维护运行。但是，异步电动机的传统控制，如变压变频（VVVF），不能提供所期望的性能。随着电力电子和微机时代的到来，异步电动机的磁场定向控制（FOC）原理，即矢量控制原理已被用来克服由于异步电动机非线性带来的控制难度。然而，这些采用矢量控制的电动汽车用异步电动机在轻载和限定恒功率工作区域内运行时，仍遭遇低效率的问题。

3.永磁同步电动机

釆用永磁体替代传统同步电动机的励磁绕组，永磁同步电动机可排除传统的电刷、集电环以及励磁绕组的铜耗。实际上，这些永磁同步电动机（图5-3）因其正弦交变电流的供电和无刷结构，也被称作永磁无刷交流电动机或正弦波永磁无刷电动机。由于这类电动机本质上是同步电动机，它们可在正弦交流电源或脉宽调制电源（PWM电源）下运行，而无须电子换向。这种电动机通常结构简单、成本低廉，但输出功率相对较低。与异步电动机类似，对高性能要求的应用场合，这种永磁同步电动机通常也使用矢量控制。因为其固有的高功率密度和高效率，在电动汽车应用领域中，永磁同步电动机已被认为具有与异步电动机相竞争的巨大潜力。

当永磁体安置在转子表面时，因永磁材料的磁导率与空气磁导率相似，故这种电动机特性如同隐极同步电动机。通过把永磁体嵌入转子的磁路中，此凸极将导致一个附加磁阻转矩，从而使电动机在恒功率运行时具有较宽的转速范围。另外，当利用转子的凸极性时，通过舍去励磁绕组或永磁体，就可制成同步磁阻电动机。

4.永磁无刷直流电动机（BLDC）

实际上，通过转换永磁直流电动机（有刷电动机）定子和转子的位置，就可得到永磁无刷直流电动机（BLDC）。应该注意，“直流”这一术语可能会引起误解，因为它并不涉及直流电动机。事实上，这种电动机由矩形波交变电流供电，因此也称为矩形波永磁无刷电动机。这类电动机最明显的优点是排除了电刷，其另一优点是因电流与磁通间的正交相互作用，能产生大转矩。此外，这种无刷结构使电枢绕组可有更大的横截面。由于其整个结构的热传导有了改善，电负荷的增加会导致更高的功率密度。与永磁同步电动机不同，这种永磁无刷直流电动机通常配有转轴位置检测器。

5.开关磁阻电动机（SRMs）

开关磁阻电动机（SRMs）已被公认在电动汽车应用中具有很大的潜力。基本上，开关磁阻电动机是由单组定子可变磁阻步进电动机直接衍生而来。开关磁阻电动机用于电动汽车的明显优点是其结构简单、制造成本低廉、转矩-转速特性好。尽管结构简单，但这并不意味着开关磁阻电动机的设计和控制也简单。由于其极尖处的高度磁饱和，以及磁极和槽的边缘效应，开关磁阻电动机的设计和控制既困难又精细。传统上，开关磁阻电动机运行，借助于转轴位置检测器检测转子与定子的相对位置。这些检测器通常容易因机械振动而受损，并对温度和尘埃敏感。因此，位置检测器的存在降低了开关磁阻电动机的可靠性，并限制了一些应用。最近，美国得克萨斯农工大学的电力电子与电机驱动研究所开发出了无位置检测器技术，该技术可保证从零转速到最大转速的平稳运行。

对纯电动汽车来说，永磁电动机方案是较好的选择，主要有以下原因:电动汽车使用中电动机的工作范围宽、紧凑性好、质量小和噪声水平安静。

另外，对于一般用途（ISG、混合动力和纯电动）来说，由于其成本因素成为决定性因素，开关磁阻电动机与同步或者异步电动机相比较，开关磁阻电动机是较适用的，这是因为开关磁阻电动机的生产成本较低，并且如果考虑到较低的控制电流，开关磁阻电机对功率电子元件的要求也相对较低。各类电动机的技术比较见表5-1。

然而，如果要使用此项非常有前景的技术还需面临以下两个重要挑战:

1）控制噪声和振动。

2）减小转矩波动。

表5-1　各类电动机的技术比较（功率30 kW，电压DC 200 V，转矩150 N·m）