電動車用永磁無刷電動機比較綜述

    錢苗旺，譚國俊，馬秀麗，王波

    (中國礦業(yè)大學，江蘇徐州212()(]8)

    摘要：永磁無刷電動機具有高功率密度、高效率、易散熱、高可靠性、較好的動態(tài)性能等特點，成為當前驅(qū)動用電機的研究熱點。文章根據(jù)電動汽車的驅(qū)動要求，從電機的實時控制模型及轉(zhuǎn)矩脈動抑制兩方面對永磁同步電動機及永磁無刷直流電動機加以比較分析，并闡述了當前永磁無刷電動機研究的熱點問題。

    關(guān)鍵詞：電動汽車；永磁同步電動機；永磁無刷直流電動機；實時控制；轉(zhuǎn)矩脈動

0引  言

    電機及其控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是研究電動汽車首先必須解決的問題。國外在這方面已經(jīng)比較成熟，但我國電動汽車還處于起步階段，與國外相比還存在較大的差距，還有很多問題需要研究解決。電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)除了具有普通電氣傳動的共性外，還應滿足電動汽車特定用途的要求。電動汽車是一種露天運行、結(jié)構(gòu)緊湊、具有車載能源的行走機械，工況復雜，既要能高速飛馳，又要能頻繁起動、制動、上下坡、快速超車、緊急剎車，既要能適應雪天、雨天、盛夏、嚴冬、雪后撒鹽等惡劣天氣條件，又要能承受道路的顛簸震動，還要保證司乘人員的舒適與安全。電動汽車的核心，是要用電氣傳動系統(tǒng)取代機械推進系統(tǒng)，用電池代替汽油作為車載能源，在零排放或少排放的前提下，滿足燃油汽車各項性能、價格指標的要求。因此，所設計的電機驅(qū)動系統(tǒng)應該滿足以下幾點要求：

    (1)基速以下大轉(zhuǎn)矩，以適應快速起動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等要求，基速以上小轉(zhuǎn)矩、恒功率、寬范圍，以適應****車速和超車等要求。

    (2)整個轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)的效率****化，以謀求電池一次充電后的續(xù)駛距離盡可能長。

    (3)電機及電控裝置結(jié)構(gòu)堅固、體積小、重量輕、抗顛簸振動。

    (4)操縱性能符合司機駕駛習慣，運行平穩(wěn)，乘坐舒適，電氣系統(tǒng)失效保障措施完善。

    (5)單位功率的系統(tǒng)設備價格盡可能低。

    電動汽車驅(qū)動電機典型的輸出特性主要包括兩個工作區(qū)：

    (1)基速以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)，該區(qū)間主要保證電動汽車的載重能力。

    (2)基速以上的恒功率工作區(qū)，該區(qū)間保證電動汽車有充足的加速空間。

    目前，用于電動汽車的電機主要有直流電動機、感應電動機、永磁無刷電動機(包括永磁無刷直流電動機和永磁同步電動機)以及開關(guān)磁阻電動機。各種驅(qū)動電機性能比較如表1所示。

1永磁無刷電動機在電動車中的應用

    電動汽車用驅(qū)動電機中，感應電動機目前應用較為廣泛，其功率容量覆蓋面寬廣，轉(zhuǎn)速高，可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高，對環(huán)境的適應性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)再生反饋制動，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，運行可靠，價格便宜，經(jīng)久耐用，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。而永磁無刷電動機是感應電機最有力的競爭對手，表2是2004年北京國際汽車展中展出的部分電動汽車的性能比較，它們中大多采用永磁無刷電動機驅(qū)動。

    永磁無刷電動機的優(yōu)點如下：

    (1)由于電機由高能永磁材料勵磁，對于給定的輸出功率，它的質(zhì)量和體積能夠大大減小，使得功率密度提高。

    (2)由于轉(zhuǎn)子無繞組，無銅損，其效率高于感應電動機。

    (3)電機發(fā)熱主要集中在定子上，易于采取措施散熱。

    (4)永磁勵磁不受制造缺陷、過熱或機械損壞的限制，因而可靠性較高。

    (5)轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)小，動態(tài)性能好。

    因此，永磁無刷電動機近年來在電動汽車上也得到了廣泛的應用，是當前電動汽車用電機的研發(fā)熱點。目前，由日本研制的電動汽車主要采用這種電機。

    永磁無刷電動機可以分為兩類，一類是永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)，另一類是永磁無刷直流電動機(以下簡稱BLDcM)。PMSM是將****磁鐵取代他勵同步電動機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組，將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，形成可同步旋轉(zhuǎn)的磁極。轉(zhuǎn)子上不再用勵磁繞組、集電環(huán)和電刷等來為轉(zhuǎn)子輸入勵磁電流，輸入定子的是三相正弦波電流