新能源汽车电机的设计及弱磁控制

混合动力或纯电动汽车中最早采用的是电机单独驱动的直流电机系统，其优点是成本低、控制简单，但是质量大，效率低，电刷和换向器使得其需要定期维护，故障率较高。目前异步电机、永磁电机和开关磁阻电机是电动汽车中常用的三大类型的交流电机。

目前用于新能源汽车的电机类型主要有交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机，其电机特点与工业电机的主要区别如表1-1所示^[2]。

表1-1 车用电机与工业电机的主要区别

用于混合动力汽车的电机还必须要具有良好的可控性和容错能力，以及低噪声、高效率，同时具有对电压波动不敏感等性能。异步电机、内置式永磁同步电机、开关磁阻电机的性能比较如表1-2所示。

表1-2 新能源汽车用交流电机的性能比较

（续）

表1-3给出了用于新能源汽车中的400kW感应电机与内置式永磁电机的性能比较。

表1-3 用于新能源汽车中的400kW感应电机与内置式永磁电机的性能比较^[2]

通过表1-3可以看出，内置式永磁同步电机较其他电机的功率密度和转矩—转速特性都好，在可靠性、低噪声、低振动以及高转矩密度等方面具有明显的优势，但是由于永磁材料的价格高，且控制策略较为复杂，导致内置式永磁同步电机及其控制器的生产成本增高。

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图1-5 四种永磁同步电机及控制器的成本价格比较

IM—感应电机 SPM—表贴式永磁电机 IPM—内置式永磁电机 SRM—开关磁阻式电机

图1-5给出了在新能源汽车中的6kW ISA（Integrated Starter/Alter-nater，集成起动机）中所选异步电机、表贴式永磁电机、内置式永磁电机、开关磁阻式电机及控制器在2000年时成本价格的比较。

图1-5所示四种电机系统的机械结构成本认为相似，主要比较的是电机及其驱动系统的成本。从图1-5中的分析可知，感应电机和内置式永磁电机及控制器成本均低于表贴式和开关磁阻式电机，由于内置式永磁电机较感应电机有较高的效率、较小的质量，因此有较小的惯性，且可以得到高的功率、转矩密度和良好的弱磁能力，所以内置式永磁电机及逆变器系统是最佳选择^[3]。

日本丰田汽车公司于1997年成功开发了实用的混合电动汽车Prius Ⅰ并投入市场销售，它是世界上第一种大批量生产的混合动力汽车。它采用四缸发动机（4500r/min）和两台内置式永磁电机（MG1和MG2）、永磁同步电机（1040～5600r/min，33kW）共同驱动，之后在2003年、2007年分别推出了Toyota Prius Ⅱ和Prius Ⅲ，其内置式永磁电机结构如表1-4所示。Prius Ⅲ中所使用的电机转速可达13500r/min。因为混合动力汽车中的布置空间有限、宽速的恒功率运行范围以及运行平稳等要求，内置式永磁电机设计及驱动的控制是其核心技术。图1-6所示为（Toyota Prius Ⅱ）丰田普锐斯驱动系统示意图^[9]。

图1-6 （Toyota Prius Ⅱ）丰田普锐斯驱动系统示意图

表1-4给出了Toyota Prius从THSI到THSⅢ内置式永磁电机结构的变化情况。^[4]

表1-4 Toyota Prius内置式永磁电机结构的变化

宝马X6、Ford Escape和本田Civic等车中的牵引电机及驱动系统中也采用了内置式永磁同步电机^[2，4，5]（详见第7章），再如菲斯科增程电动跑车，含有一个175kW增程器电机和两个150kW的内置式永磁驱动电机，最高转速为6000～7200r/min，新配置的SUV车型的电机功率甚至达到了123kW，最高转速为11000r/min。

内置式永磁同步电机由于具有高效率、高功率密度、良好的转矩控制能力的特点，目前在新能源汽车中普遍采用内置式永磁同步电机。