下面将讨论作为ISA的主要备选电机的永磁电机和开关磁阻电机的设计特性和控制性能。同时，也将讨论异步电机用于ISA时的主要特性。
4.5.5.1 异步电机
异步电机（IM）技术非常成熟，其高转矩以及优越的起动转矩特性也被人们所熟知，是一种低维护、高可靠和低成本的电机。由于其弱磁能力较差，因此很难获得很好的恒功率—转速特性。通过利用开关投切绕组或者用继电器投切变换器可以扩展其恒功率—转速范围，但由于开关和机械触点的使用会降低系统可靠性。
IM轻载时功率因数很低，直接起动时起动电流很大［20］。过大的起动电流要求选择更大的半导体开关器件，从而增加系统成本，另外，IM转速的控制也比较困难。因此，在汽车驱动方面，IM有许多问题需要解决。
IM无论低速还是高速时效率都很高，大概在91％左右。IM的输出功率由于电机感抗原因，受频率限制较大，特别是在超出恒功率区间之后。较大的感抗还导致电气时间常数增加，降低了系统响应速度和发动机的起动速度。
如果用正弦电压驱动，IM和其他电机相比，噪声很低、转矩脉动很小。
4.5.5.2 永磁电机
永磁电机PM通过在转子上安装永磁体来产生磁场。在各种结构的PM中，外贴式永磁电机（SPM）和内埋式永磁电机（IPM）是ISA最主要的候选者。
SPM将永磁体贴在转子表面，然后用纤维布包裹以保证其在高速运行时不受到机械损伤。由于采用永磁体建立磁场，所以没有励磁绕组以及集电环和电刷，图4-14给出了SPM转子的示意图。不用励磁绕组能降低电机的铜耗。
图4-14 四极SPM转子
由于永磁体磁导率很低，所以电枢反应电抗较小，从而电机功率密度也较高，径向磁场分布也有助于提高功率密度。SPM磁路性能好，所以可以减少定子绕组匝数从而减小定子铜耗。SPM转矩高，特别是起动转矩比伦德尔发电机高。这些特性使得可以在满足应用要求的前提下减小电机体积。
因为其长度和直径可以独立选取，所以SPM设计灵活性较大，因此可以从提高效率的角度出发独立改变长度或直径，这一特性也为SPM的生产带来了很大方便，例如可以在不改变直径的情况下，通过改变长度而生产不同容量的电机，由于直径不变，一些结构件，如定子冲片、永磁体、轴承、支架和螺栓都可以通用。另外，SPM的性能对气隙变化不敏感，这主要是因为永磁体磁导率接近空气，这也给生产加工带来便利。所有这些灵活性源自于SPM的二维磁路特性。
安装永磁体的SPM转子可以设计成空心的，以减小转动惯量，从而在有差耦合时减小转差［16］。在对SPM转子进行耐久性实验时发现，在转速高达24580r/min时，转子也能正常运转，而发电机一般运行在22000r/min之下［18］。
SPM最大的问题是很难在转速大范围变化时输出恒定的功率。这是因为永磁体的励磁磁动势是恒定的，因此气隙磁通也恒定，这就使SPM输出电压随转速上升而线性升高。同时，因为定子电枢电抗很小，所以弱磁作用也很小。为保证输出电压恒定，必须开发专门的变换器，而这样做成本很高。
由于SPM采用永磁体励磁，发热问题必须引起重视，这是因为永磁体在高温时剩磁和矫顽力会减小，即发生退磁现象。另外，高温时定子绕组也会导致电机故障［22］。因此，电机必须安装风冷或液体冷却等冷却设备。
IPM和SPM不同，永磁体在转子内［15］，安装在转子槽中。与SPM一样，IPM转矩也很高，不同的是IPM中的转矩不光由永磁体产生，而且还和凸极带来的磁阻变化有关，也就是说，产生的转矩包含两个分量。这一特性为设计者设计系统提供了极大的灵活性。同样由于转矩高，和同样容量IM相比，体积可减小15％左右［14］。
由于IPM将永磁体安装在转子内部，所以机械强度好，能够运行到高达24500r/min的转速［18］。IPM中转子凸极效应增强，这直接反应在定子交轴和直轴电感的比值变化上，这给电机的弱磁提供了一条道路［23］。这也直接表现为感应电动势减小、成本降低以及转速的升高。采用轴向叠片转子可以增强转子凸极效应，但加工麻烦，成本优势减小。IPM有较宽的恒功率转速范围，这可以简化变换器的设计［15］。
如果使用光滑转子，电机在低速旋转时噪声非常低，如果采用空心转子，则在当电机转速高时，通过转子孔的空气振动会产生很大的噪声，但可以通过改变孔的大小来减小噪声。对于ISA而言，这并不成问题，因为高转速时发动机才是主要的噪声源。
永磁体固有的热稳定问题必须考虑。IPM生产、安装和磁化过程都比较复杂。另外，转子严重的磁饱和会对定子绕组产生影响，降低起动转矩［15］。IPM需要面对的问题还有整体的电磁优化设计以及故障条件下的性能问题。
IPM中可采用多种永磁体，如块状、薄板状或注塑成型粘结永磁体等。
另外，还可采用金属磁粉芯电机，其转子是压制而成的。使用这种转子可以把电机高温时的载流能力提高10％～20％，同时，铁心温度也能下降10％～50％［14］。ISA采用这种转子的主要问题是机械结构问题。
轴向磁场永磁（AFPM）电机包含两个盘状永磁转子和一个夹在二者之间的一个无槽定子［24］。该电机具有两套完全独立的电磁结构。定子为圆形且无槽，由带状薄贴片叠成，具有重量轻、体积小效率高的优点。定子采用无槽结构，高频时可减少定子齿槽损耗和转子损耗，同时也能减少转矩脉动和噪声。
定子上的绕组辐射状排列并通过适当连接构成三相绕组。为增强定子机械强度和增强散热，可用碳纤维环氧树脂复合材料进行封装。和SPM一样，AFPM也把永磁体装在转子上，区别在于AFPM产生轴向磁场。转子上也可为永磁体安装设置凹洞，以增强永磁体和转子铁心的整体性。两个转子上的永磁体同极性排列，即N极对N极，S极对S极。(www.xing528.com)
AFPM设计中，磁性材料和电机极数决定电机的特性。所有的电气参数和设计特性都主要由这二者决定。
AFPM一般在怠速到6000r/min范围内运行，因此输出频率较高，这使得定子损耗增加。为减少定子损耗，定子材料的选择非常关键，选择的依据是磁滞和涡流损耗、磁导率以及磁饱和特性。基于这些参数，最佳的备选材料包括铁、烧结和非晶材料［25］。根据输出频率范围和特性要求，可以选择出最优的材料。
定子绕组可选择Litz导线（或称为绞线），这意味着增加导线的股数，这可以减少用铜量，在同样填充系数的情况下增加绝缘强度，减少涡流损耗，但会增加绕组电阻。这是降低集肤效应和涡流损耗的最佳方法，因为这些损耗会由于电流在普通线圈导线截面积不均匀分布而增加，并且由于这些损耗和频率相关，会随着频率的升高而增加［25］。
定子线圈的轴向长度很小，因此电阻小、损耗少。运行过程中，电机的定子两侧有两套磁链。磁通由转子上的永磁体出发经过气隙进入定子铁心，然后再经过气隙回到同一转子上，当定子铁心中通过电流，就会产生电磁转矩，这和转子如何驱动无关。定转子的直径决定电机的功率等级，因此，AFPM非常适合直驱ISA的应用场合。AFPM重量轻、结构紧凑、轴向长度短、效率高。
其他还有一些转子仅由永磁体构成的电机，这类电机主要的问题是机械和热稳定度。另外，这类电机一般功率较小。
4.5.5.3 开关磁阻电机
开关磁阻电机SRM转子一般由普通硅钢片压制而成，结构非常简单，既不含绕组也不含永磁体［26］，因此结构坚固，可工作于高速高温的场合。SRM转子为凸极结构，定子绕组可在绕制之后再套于定子磁极，因此加工简单成本低。SRM气隙小，小电流也能获得较大转矩。然而ISA的应用场合振动强烈，这要求适当增大电机的气隙，这是SRM用于ISA的主要缺陷。
由于SRM极数和振动相关，所以合理选择极数非常重要。例如，12/8极SRM比6/4极振动小。
SRM适合于高速运行，并且高速时效率高［27］。SRM具有很大的恒功率转速范围，这一点和ISA的要求非常吻合，如ISA速度变化率高达10∶1。
SRM技术已比较成熟，在高功率高转速（1500hp[2]，48000r/min）的航空领域已有较长的使用历史［28］。在汽车ISA应用上仍有一定挑战性，这是因为该场合要求电压低、功率小，并且转矩特性和航空领域也不相同，另外，ISA除了起动和发电功能外，还需要有其他额外功能。
SRM可靠性很高，故障情况下也能对外输出功率，只是性能有所下降［28］。这是因为转子上没有任何励磁装置，所以不会在故障相感应电势，也就不会输出电能，相应的电动状态下也不会产生阻力矩，也不会因为故障电流过大而产生火花。SRM的绕组在机械和电气上都是彼此独立的，因此减少了相间故障的概率。当SRM和变换器一起构成系统时，每个绕组和两个开关管串联，因此，即使两个管子同时闭合，也不会像交流驱动器那样因直流短路而发生故障。
由于SRM工作电压非正弦，所以脉动转矩较大，相应噪声也较高。为满足标准要求的非正弦励磁电机的脉动转矩小于15％的要求，SRM的相数必须增加，进而导致系统元器件成本增加，在此主要是开关器件［14］的增加。然而，SRM的转矩脉动可被利用来为发动机提供有源阻尼。
SRM在起动发动机时效率很高，低速时大概46％左右，而怠速时就能达到89％。在发电机状态下，在整个转速范围内更是高达93％［28］。
这四种电机在用于汽车系统时，可从以下三个方面直观评价各自的优越性：①电机是如何励磁的，是SPM那样完全的内部励磁，IM和SRM那样完全的外部励磁，或者IPM那样是内外混合励磁。②恒功率转速范围，是像SPM那样仅由转矩角控制，还是像IM、IPM和SRM那样需要弱磁控制。③控制有功和无功功率对电力电子器件的要求。IM起动时功率因数很低，SPM功率因数很高，IPM介于二者之间。图4-15～图4-18给出了这些特性。
由图4-15可见，在从励磁源、变换器负担和CPSR角度考核各种电机的性能时，有许多需要折衷考虑的地方。例如，功率因数低则要求变换器容量大，因此变换器成本高。完全内部励磁本来是个优点，但从生产者角度考虑成本很高，这是因为内部励磁的成本是完全由生产者承担的，而完全外部励磁的成本则是在使用过程中由使用者承担的。高CPSR是汽车电机始终追求的目标，因为各种传动机构或齿轮可以尽可能地简单甚至去掉。
图4-15 汽车起动发电机的电机特性表面永磁电机和SRM
图4-16 异步电机IM特性对比
图4-17 内永磁电机IPM特性对比
图4-18 变/开关磁阻电机（VRM或SRM）特性对比
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