电动车永磁同步电动机的设计发展

2018(6)OVERVIEW行业观察

摘要：该文简要地比较了几种常用电动汽车的驱动系统，并指出了永磁同步电动机的优势。在各类驱动电机中，永磁同步电 动机能量密度高、效率高、体积小、惯性低、响应快，有很好的应用前景，介绍了电动车驱动用永磁同步电动机目前的研究状 况以及研究热点和发展趋势。

关键词：电动汽车;永磁同步电动机;弱磁控制;控制策略

Design Development on Permanent Magnet Synchronous Motor in Electric Vehicle Abstract：This paper briefly compared several popular electric vehicle drive systems and pointed out the advantages of permanent magnet synchronous motor in various types of drive motors. Permanent magnet synchronous motor has high energy density, small size, low inertia and fast response, it has a good prospect. Then the paper introduced the current research situation, the focus and development trends of the permanent magnet synchronous motor in electric vehicle.

Key words ：Electric vehicle; Permanent magnet synchronous motor; Weak magnetic control; Control strategy

电动汽车具有低噪声、零排放、高效、节能及能源 多样化和综合利用等显著优点，成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步，尤其是需要进一 步提高其驱动系统的性能[1]。电动汽车对其驱动系统的 要求是转矩控制能力良好，转矩密度高，运行可靠性及 在整个调速范围内的效率尽可能高，从而保证车辆具 有良好的动力性能和操控性，同时在车载动力电池未 能取得突破的情况下，延长车辆的续驶里程。研究并开 发出高水平的电机驱动控制系统，对提高我国电动汽 车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义[2]。随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电 动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正 逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。

1电动汽车用电动机及驱动系统比较

电气驱动系统作为现代电动汽车的核心[3]，主要包 括:电动机、功率电子元器件及控制部分。评价电动车 的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控 制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动 车用电动机主要有直流电动机（DCM)、感应电动机 (IM)、永磁电动机(PM)及开关磁阻电动机(SRM)4类。下面分别对这4种电气驱动系统进行简要的分析和说

明[4]，其总体特性比较，如表1所示。

表1电动汽车电气驱动系统特性比较

项目DCM PM IM SRM 控制方式差优一般优

大小、质量差优优一般

电动机高速运转能力差一般优优

维修性差一般优优

效率差优一般优

尺寸、质量优一般一般一般

控制装置

控制性一般优优一般

功率元件数少多多较多

综合评价差优(高效）一般(耐用）较优1.1直流电动机驱动系统

在电动汽车领域，最早使用的就是直流电动机。直 流电动机结构简单，易于控制，具有良好的电磁转矩控 制特性，但是由于采用机械换向结构，维护困难，并产 生火花，容易对无线电产生干扰，这对高度智能化的未 来电动汽车是致命的弱点[5]。另外，直流电动机驱动系 统体积大、制造成本高、速度范围有限、能量密度较低，这些都限制和妨碍了直流电动机在电动汽车中的进一

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OVERVIEW

Er4i^汽车工_师2018

年6月

步应用。

1.2感应电动机驱动系统

感应电动机现在普遍采用变频驱动方式，常见的 变频控制技术有3种：/控制、转差频率控制及矢量 控制。20世纪90年代以前，主要以脉冲宽度调制 (PWM)方式实现V/控制和转差频率控制[]，但这2种 控制技术因转速控制范围小、转矩特性不理想，而对于 需频繁起动、加减速的电动汽车不太适用。近几年，电动汽车感应电动机主要采用矢量控制技术。

1.3开关磁阻电动机驱动系统

以开关磁阻电动机(SRM)为代表的磁阻电动机是 一^种很有发展前途的电动机驱动系统。SRM是一^种没 有任何形式的转子导体和永久磁体的无刷电动机，它的 定子磁极和转子磁极都是凸的。SRM具有转子结构简 单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、响应速度 快等优点。但SRM在振动、噪声、转矩脉动、控制方式等 方面还有许多问题需要解决，目前应用还受到限制。1.4永磁电动机驱动系统

永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运 行可靠等优点，又具有直流电动机的调速性能好的优 点，且无需励磁绕组，可以做到体积小、控制效率高，是 当前电动汽车电动机研发与应用的热点[7]。永磁电动机 驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLDCM)系统和永 磁同步电动机(PMSM)系统。无刷直流电动机(BLD- CM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方 法简单的优点，但是由于换相电流很难达到理想状态，因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题[8]。对于车速要 求不太高的电动汽车驱动领域，BLDCM系统具有一定 的优势，得到了广泛的重视和普遍应用。PMSM系统具 有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低 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，提高电动机的调速范围，因此，在电动汽 车驱动方面具有较高的应用价值，已经受到国内外电 动汽车界的高度重视，并在日本得到了普遍的应用，是 一种比较理想的电动汽车驱动系统。

2电动车用永磁同步电动机研究状况

2.1日本电动车用永磁同步电动机状况

日本165年就开始研制电动车，于167年成立 了日本电动车协会。由于永磁同步电动机的性能优良，所以一经问世就受到日本汽车公司的青睐。196年，丰 田汽车公司的电动车RAV4就采用了东京电机公司的 插人式永磁同步电动机作为驱动电机，其下属的日本 富士电子研究所研制的永磁同步电动机可以达到最大功率50 kW，最高转速1000 r/min。图1示出转子永磁 体不同层数示意图。

5单层 6双层

图1转子永磁体不同层数示意图

2.2欧洲电动车用永磁同步电动机状况

在法国VEDELIC电动车计划中，PSA电动车动力 传动系统生产商MoteursLeroy-Somer在197年改进了 驱动电机。选择的新型驱动电机即为三相永磁同步电

动机。电机的性能指标，如表2所示。

表2三相永磁同步电动机性能指标

额定功率/最大功率/最大转矩/电机驱动系统效率/电机质量/ kW(kW/min)N*m%kg

130145>8760

与传统的直流驱动系统相比，法国采用的三相永 磁同步电动机主要有以下三方面提高：）功率密度比 和转矩密度比高;2)效率更高;3)可靠性提高，维修方 便。德国第3代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁 同步电动机。其最高转速为12 500r/min，最大输出功 率为32 kW。

2.3美国电动车用永磁同步电动机状况

美国的电动车开发比日本晚。在美国，感应电机的 设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动 电动机还主要以感应电机为主。但美国也进行了永磁 同步电动机的研究，而且成果卓著。S aC o公司 JamesH.Goldie和 KevinE.LeRowR.E.等人研制的永磁同 步电动机采用定子双套绕组技术，既扩大了电机的转 速范围，又有效利用了逆变器的电压，绕组电流低，电动机效率高。表3示出美国SatCon公司研制的电机在 不同转速和功率下的效率特性。

表3SatCon技术公司研制的电机效率特性

电机转速/(r/min)输出功率/kW电机效率/%

1 680198.7

3 840498.4

6 0001398.2

8 102597.4

3电动机研究的热点及其发展趋势

作为车辆电驱动系统的中心环节，驱动电机的总

体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的