电动车用永磁无刷电动机比较综述

    钱苗旺，谭国俊，马秀丽，王波

    (中国矿业大学，江苏徐州212()(]8)

    摘要：永磁无刷电动机具有高功率密度、高效率、易散热、高可靠性、较好的动态性能等特点，成为当前驱动用电机的研究热点。文章根据电动汽车的驱动要求，从电机的实时控制模型及转矩脉动抑制两方面对永磁同步电动机及永磁无刷直流电动机加以比较分析，并阐述了当前永磁无刷电动机研究的热点问题。

    关键词：电动汽车；永磁同步电动机；永磁无刷直流电动机；实时控制；转矩脉动

0引  言

    电机及其控制系统是电动汽车的核心，也是研究电动汽车首先必须解决的问题。国外在这方面已经比较成熟，但我国电动汽车还处于起步阶段，与国外相比还存在较大的差距，还有很多问题需要研究解决。电动汽车电机驱动系统除了具有普通电气传动的共性外，还应满足电动汽车特定用途的要求。电动汽车是一种露天运行、结构紧凑、具有车载能源的行走机械，工况复杂，既要能高速飞驰，又要能频繁起动、制动、上下坡、快速超车、紧急刹车，既要能适应雪天、雨天、盛夏、严冬、雪后撒盐等恶劣天气条件，又要能承受道路的颠簸震动，还要保证司乘人员的舒适与安全。电动汽车的核心，是要用电气传动系统取代机械推进系统，用电池代替汽油作为车载能源，在零排放或少排放的前提下，满足燃油汽车各项性能、价格指标的要求。因此，所设计的电机驱动系统应该满足以下几点要求：

    (1)基速以下大转矩，以适应快速起动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求，基速以上小转矩、恒功率、宽范围，以适应****车速和超车等要求。

    (2)整个转矩／转速运行范围内的效率****化，以谋求电池一次充电后的续驶距离尽可能长。

    (3)电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动。

    (4)操纵性能符合司机驾驶习惯，运行平稳，乘坐舒适，电气系统失效保障措施完善。

    (5)单位功率的系统设备价格尽可能低。

    电动汽车驱动电机典型的输出特性主要包括两个工作区：

    (1)基速以下的恒转矩工作区，该区间主要保证电动汽车的载重能力。

    (2)基速以上的恒功率工作区，该区间保证电动汽车有充足的加速空间。

    目前，用于电动汽车的电机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机(包括永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机)以及开关磁阻电动机。各种驱动电机性能比较如表1所示。

1永磁无刷电动机在电动车中的应用

    电动汽车用驱动电机中，感应电动机目前应用较为广泛，其功率容量覆盖面宽广，转速高，可以采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并且能够实现再生反馈制动，结构简单，维修方便，运行可靠，价格便宜，经久耐用，具有较好的稳态和动态特性。而永磁无刷电动机是感应电机最有力的竞争对手，表2是2004年北京国际汽车展中展出的部分电动汽车的性能比较，它们中大多采用永磁无刷电动机驱动。

    永磁无刷电动机的优点如下：

    (1)由于电机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，它的质量和体积能够大大减小，使得功率密度提高。

    (2)由于转子无绕组，无铜损，其效率高于感应电动机。

    (3)电机发热主要集中在定子上，易于采取措施散热。

    (4)永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制，因而可靠性较高。

    (5)转子电磁时间常数小，动态性能好。

    因此，永磁无刷电动机近年来在电动汽车上也得到了广泛的应用，是当前电动汽车用电机的研发热点。目前，由日本研制的电动汽车主要采用这种电机。

    永磁无刷电动机可以分为两类，一类是永磁同步电动机(以下简称PMSM)，另一类是永磁无刷直流电动机(以下简称BLDcM)。PMSM是将****磁铁取代他励同步电动机的转子励磁绕组，将磁铁插入转子内部，形成可同步旋转的磁极。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，输入定子的是三相正弦波电流