2.3　混合动力汽车的电动机

（1）混合动力汽车电动机系统的特点

混合动力汽车利用电动机驱动作为辅助动力，来降低燃料的消耗和实现低污染，或在纯电动驱动模式时实现零污染。混合动力汽车上电动机系统的工作条件以及其工作模式与传统工业电动机相比有着很大的区别，这些区别使传统工业电动机不适合在汽车上使用。与传统工业电动机相比较，混合动力汽车上所使用的电动机系统有以下特点。

①混合动力汽车上所使用的电动机往往要求频繁启停、频繁加减速以及频繁切换工作模式（作为电动机使用驱动汽车以及作为发电机使用，实现能量回收及发电的功能），这对电动机的响应性能提出了更高的要求。

②由于汽车内部空间紧张，往往要求电动机系统体积小、质量小以及具有较高的功率密度和工作效率等性能。

③相对于传统工业电动机而言，混合动力汽车上所使用的电动机系统的工作环境更为恶劣，干扰更大，从而要求它具有更高的可靠性、抗振性和抗干扰性。

④传统电动机一般工作在额定工作点附近，而混合动力汽车电动机的工作范围相对较宽，且由于混合动力汽车电动机工作模式的特殊性（电动机的工况经常处于动态变化中），额定功率这个参数对于混合动力汽车所使用的电动机而言，没有特别大的意义，所以对其额定功率的要求并不严格。而在高效工作区间，这个参数则更为实际和重要。

⑤在供电方式上，传统工业电动机由常规标准电源供电，而混合动力汽车电动机所使用的电能来源于蓄电池，且由功率转换器直接供给。另外，电动机的使用电压及形式并不确定，从减少功率损耗及降低逆变器成本的角度，一般倾向于使用较高的电压。

由此可知，混合动力汽车对它使用的电动机系统有下面的特殊要求：频繁切换性能好，比功率大，体积较小，抗振性、抗干扰性好，高效工作范围宽，容错能力强，噪声小，以及对电压波动的适应能力和可以接受的成本等。

（2）混合动力汽车驱动电动机的种类

电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。而混合动力汽车所采用的电动机种类较少，功率覆盖面也较窄，只采用了一些符合混合动力汽车要求的电动机来作为驱动电动机。

混合动力汽车在不同的历史时期采用了不同的电动机，最早是采用了控制性能好和成本较低的直流电动机。随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展，交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能，这些电动机正在逐步取代直流电动机。图2-20所示为现代混合动力汽车所采用的各种电动机，表2-5为现代混合动力汽车所采用的各种电动机的基本性能比较。

（3）混合动力汽车对电动机性能的基本要求

混合动力汽车驱动电动机的主要参数有电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、质量参数、可靠性和成本等。另外，为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统，也会影响驱动电动机的性能。

①在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。

②电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8000～12000r/min，高转速电动机的体积较小，质量较小，有利于降低混合动力汽车的整车装备质量。

③电动机采用铝合金外壳，以降低电动机的质量，各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小。

④电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，使混合动力汽车有良好的启动性能和加速性能，能获得所需的启动、加速、行驶、减速、制动等的功率与转矩。电动机具有自动调速功能，因此可以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。

⑤混合动力汽车电动机应使能量利用最优化，电动机应高效率、低损耗，并在车辆减速时，实现再生制动将制动能量回收，再生制动回收的能量一般可达到总能量的10％～15％，这在内燃机汽车上是不能实现的。

⑥各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到300V以上，其电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制安全性能的标准和规定，应装备有高压保护设备。

另外，还要求混合动力汽车电动机可靠性好，耐温和耐潮性能强，运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长时间工作，结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。

2.3.1　直流电动机

直流电动机的优点是具有优良的电磁转矩控制特性，调速比较方便，控制装置简单、价廉。缺点是效率较低、质量大、体积大、价格贵。

（1）直流电动机的种类和基本性能

最常采用的有他励直流电动机和串励直流电动机。

①他励直流电动机　分别控制励磁电流和电枢电流，来实现对他励直流电动机的控制，他励直流电动机具有线性特性和稳定输出特性，可以扩大其调速范围，能够实现在减速和制动时的再生制动，回收一部分能量。

②串励直流电动机　励磁电流和电枢电流相等，能获得每单位电流的最高转矩，启动转矩大，有较好的启动特性以及较宽的恒功率调速范围，有利于提高混合动力汽车的动力性能。

（2）直流电动机的控制系统

直流电动机在电源电路上，可以采用较少的控制元件，最常采用的有IGBT电子功率开关的斩波器。IGBT斩波器是在直流电源与直流电动机之间的一个周期性的通断开关装置，斩波器根据直流电动机输出转矩的需要，脉冲输出和变换直流电动机所需电压，与直流电动机输出的功率相匹配，来驱动和控制直流电动机运转。IGBT斩波器已经商品化，可供用户选用。

（3）直流电动机的特点

直流电动机的磁场和电枢可以分别控制，因此控制起来比较容易，而且控制性能较好。直流电动机的容量范围很广，可以根据所需的转矩和最高转速来选用所需要的容量，市场上有各种不同结构的直流电动机供选用，直流电动机的制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统价格较便宜。

因为直流电动机有电刷、换向器等接触零件，它们容易磨损。在高速旋转时电刷与换向器之间会产生火花，严重时形成“环火”，限制了直流电动机转速的提高。直流电动机相对于其他电动机，结构较复杂，体积较庞大，也较笨重，对使用环境要求高，可靠性较差，价格高，要经常维护和修理。

2.3.2　交流电动机

（1）三相异步感应电动机的结构

三相异步感应电动机有笼型异步感应电动机（简称感应电动机）和绕线式异步感应电动机两种。笼型感应电动机是应用最广泛的电动机。

三相异步感应电动机的定子和转子由层叠、压紧的硅钢片组成，两端采用铝盖封装，在转子和定子之间没有相互接触的部件，结构简单，运行可靠，经久耐用，价格低廉。

（2）三相异步感应电动机的基本性能

三相异步笼型感应电动机的功率容量覆盖面很宽广，最高转速可以达到10000～12000r/min，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，并且能够实现再生制动。与同样功率的直流电动机相比，效率较高，质量约小50％。三相异步感应电动机已经能够大批量地生产，有各种不同型号规格的系列产品供用户选用。价格便宜，维修简单方便，得到普遍的应用。

（3）三相异步感应电动机的控制系统

在混合动力汽车上，一般采用发电机或动力电池组作为电源，三相异步感应电动机不能直接使用直流电源，另外，三相异步感应电动机具有非线性输出特性，因此在采用三相异步感应电动机时，需要应用逆变器中的功率半导体交换器件，将直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电，来实现对三相异步感应电动机的控制。在混合动力汽车上，通常功率电路有交-直-交逆变器系统、交-交变频器系统、直-交逆变器系统。在有些装有交流发电机的混合动力汽车上，根据动力系统结构模型的要求，可采用前两种变频器或逆变器系统。图2-21所示为三种功率电路基本形式。

2.3.3　永磁电动机

（1）永磁电动机的磁性转子、磁极数量及永磁材料

①磁性转子　按在永磁电动机上布置的不同，永久磁铁可分为内部永磁型IPM（interior permanent magent）、表面永磁型SPM（surface permanent magnet）和镶嵌式（混合式）永磁型IS-PM几种结构形式。将永磁磁极按N极和S极顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。

a.内部永磁型磁性转子　其磁路结构可分为径向型磁路结构、切向型磁路结构和混合型磁路结构。

图2-22中1～5为径向型内部永磁转子的结构，径向型磁路磁性转子磁漏小，而且不需要隔离环，但它的每个磁极的有效面积约为切向型内部永磁转子的1/2，为了提高径向型内部永磁转子的有效面积，多采用图2-22中5的截面形状。

b.表面永磁型磁性转子　表面永磁型转子的应用正在逐渐增多。图2-23所示为表面永磁型转子永磁电动机的横截面图。

c.混合式永磁型磁性转子　图2-24所示为一种混合式永磁型磁性转子，这种混合式永磁型磁性转子可以用嵌入永久磁铁中的励磁绕组来对磁通量进行控制，从而改变永磁电动机的机械特性。

②磁极数量　一般感应电动机的磁极数量增多后，电动机在同样的转速下，工作频率随之增加，定子的铜耗和铁耗也相应增加，将导致功率因数急剧下降。磁阻电动机的磁极数量增多后，会使电动机输出的最大转矩与最小转矩差距很大，对磁阻电动机的性能影响较大。独立励磁电动机的磁极数量增多后，将无法达到额定的转矩。而永磁电动机的磁极增加一定数量后，不仅对电动机的性能没有明显的影响，还可以有效地减小永磁电动机的尺寸和质量。

永磁电动机的气隙直径和有效长度，取决于电动机的额定转矩、气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数。气隙磁通密度主要受磁性材料磁性的限制，因此需要采用磁能密度高的磁性材料。另外，在气隙磁通密度相同的条件下，增加磁极的数量，可以减小电动机磁极的横截面面积，从而使电动机转子铁芯的直径减小。图2-25所示为一个四极永磁转子铁芯与一个十六极永磁转子铁芯的尺寸比较，后者的横截面面积要小于前者，因此可以减小电动机的质量，增加磁通密度，改进磁路结构，减弱电枢反应和提高电动机的转速。增加磁极数量是提高永磁电动机性能和效率的主要途径。

③永磁材料　永磁电动机的永磁材料种类很多，如KS-磁钢、铁氧体、锰铝碳、铝镍钴和稀土合金等。铁氧体价格低廉，而且去磁特性接近一条直线，但铁氧体的磁能积很低，使永磁电动机的体积增大，结构很笨重。现在主要采用稀土钐-钴的合金永磁材料来制造永磁电动机的磁极，它的能量密度远远超过其他永磁材料制成的磁极，它的剩磁和矫顽力相当高。钕-铁-硼稀土合金的磁能积最高，有最高的剩磁和矫顽力，加工性能好，资源广泛，应用发展最快，是目前最理想的永磁材料，而且相对价格也比较低。磁极的磁性材料不同，电动机的磁通密度也不同，磁通密度大时，永磁电动机的体积和质量都将减小。

由于钕-铁-硼稀土合金永磁材料在高温时磁性会发生不可逆的急速衰退，以致完全失去磁性，因此用钕-铁-硼稀土合金永磁材料制成的永磁电动机的工作温度必须控制在150℃以下，一般在电动机上要采取强制冷却。钕-铁-硼稀土合金永磁材料要比钐-钴稀土合金具有更好的力学性能，价格也比较便宜。稀土合金永磁材料在制造中都必须进行适当加固，否则不能承受高速运转时的作用力。

（2）永磁电动机的种类

永磁电动机有两种类型，两种永磁电动机同步特性的区别，表现在它们的电波曲线形状上。永磁无刷直流电动机具有矩形脉冲波电流。永磁磁阻同步电动机具有正弦波电流。

永磁电动机的电波曲线形状是由电动机的类型及其控制系统来确定的，但由于它们是从不同类型的电动机发展而来的，因此具有不同的名称。这两种永磁电动机在结构和工作原理上大致相同，转子都是永久磁铁，定子通过对称交流电来产生转矩，定子电枢多采用整距集中绕组。

两种永磁电动机的同步特性比较如图2-26所示。

①永磁无刷直流电动机

a.永磁无刷直流电动机的结构　在直流电动机的转子上装置永久磁铁，转子采用径向永久磁铁制成的磁极，将磁铁插入转子内部，或将瓦形磁铁固定在转子表面上，转子上不再用电刷和换向器为转子输入励磁电流，所以电动机的转子磁路是各向均匀的。因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，故称为永磁无刷直流电动机。

b.永磁无刷直流电动机的性能　永磁无刷直流电动机在工作时，直接将矩形脉冲波（方波）电流输入永磁无刷直流电动机的定子中，控制永磁无刷直流电动机运转。矩形脉冲波电流可以使电动机获得较大的转矩，永磁无刷直流电动机的优点是效率高（比交流电动机高6％）、出力大、高速操作性能好、无电刷、结构简单牢固、免维护或少维护、尺寸小、质量小。输出转矩与转动惯量比值大于相类似的三相感应电动机。如果输出的波形不好，会发生较大的脉动转矩和冲击力，影响电动机的低速性能，电流损耗大，工作噪声大。

c.永磁无刷直流电动机的控制系统　永磁无刷直流电动机具有很高的功率密度和较宽的调速范围。永磁无刷直流电动机的控制系统较为复杂，有多种控制策略，采用方波电流（实际上方波为顶宽不小于120°的矩形波）的永磁无刷直流电动机的控制比较容易，驱动效率也最高。方波电动机可以比正弦波电动机产生大15％左右的电功率，由于磁饱和等因素的影响，三相合成产生的恒定电磁转矩是一种脉动电磁转矩。永磁无刷直流电动机实际上是一种隐极式同步电动机，在正常运行时电枢电流磁动势与永磁磁极的磁动势在空间位置相差90°电角度。在高速运行时通过弱磁调速的技术来升速。

永磁无刷直流电动机的基本控制系统，由直流电源、电容器、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、永磁无刷直流电动机（PMBDC）、电动机转轴位置检测器（PS）、逻辑控制单元120°导通型脉宽调制信号发生器（PWM）和其他一些电子器件共同组成。

转轴位置检测器检测转轴位置的信号，并经过位置信号处理，将信号输送到逻辑控制单元。码盘检测电动机的转速，经过速度反馈单元、速度调节器，对电动机的运行状态进行判别，将信号输送到逻辑控制单元。经过逻辑控制单元计算后，将控制信号传送到PWM发生器。

电流检测器按照闭环控制方式，将反馈电流进行综合，经过电流调节器调控，也将电流信号输入PWM发生器。

由转轴位置检测器根据转角θ和速度调节器，对电动机的运行状态进行判别，共同发出转子位置的信号，以及电流检测器对电流的调控信号，共同输入PWM发生器后，产生脉宽调制的信号（导通相位及相电流大小），自动换流来改变向定子绕组的供电频率和电流的大小，控制逆变器的功率开关元件的导通规律。如图2-27所示，逆变器的功率开关由上半桥开关元件S₁～S₃和下半桥开关元件S₄～S₆组成，在同一时刻只有处于不同桥臂上的一个开关元件被导通（如S₁及S₆），电动机的电磁转矩T与开关元件导通的电流成正比。

②永磁磁阻同步电动机

a.永磁磁阻同步电动机的结构　永磁磁阻同步电动机是将永久磁铁取代他励同步电动机的转子励磁绕组，电动机的定子和转子与普通同步电动机的定子和转子一样，如图2-28所示。转子采用径向永久磁铁制成的多层永磁磁极，形成可同步旋转的磁极。永磁磁阻同步电动机具有高效率（达97％）和高比功率（远远超过1kW/kg）的优点。输出转矩与转动惯量比都大于相类似的三相感应电动机。在高速转动时有良好的可靠性，平稳工作时电流损耗小。

在同步电动机的轴上装置转子位置传感器和速度传感器，它们产生的信号是驱动控制器的输入信号。永磁磁阻同步电动机具有功率密度高、调速范围宽、效率高、性能更加可靠、结构更加简单、体积小的优点。与相同功率的其他类型的电动机相比，更加适合作为混合动力汽车的驱动电动机。

永磁磁阻电动机为了增加电动机的转矩，采用增加q轴磁阻与d轴磁阻之差，来获得更大的磁阻转矩，因此采用多层的转子结构（图2-29），有单层、双层、3层和10层等，用于优化转子结构。转子的层数增加，L_q-L_d也增大，但增加层数超过3层，L_q-L_d变化不大，一般取2～3层。

b.永磁磁阻同步电动机的控制系统　永磁磁阻同步电动机采用带有矢量变换电路的逆变器系统来控制。永磁磁阻同步电动机的控制系统由直流电源、电容器、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、永磁同步电动机（PSM）、电动机转轴位置检测器（PS）、速度传感器、电流检测器、驱动电路和其他一些电子器件等共同组成。

微处理器控制模块中包括乘法器、矢量变换电路、弱磁控制器、转子位置检测系统、速度调节系统、电流控制系统、PWM发生器等主要电子器件。PWM逆变器的作用是将直流电经过脉宽调制变为频率可变及电压也可变的交流电，电压波形有正弦波或方波。

转子位置检测器根据检测转子磁极的位置信号和矢量变换电路发出的控制信号，共同通过电流分配信号发生器来对转子位置信号进行调节，产生电流分配信号，将信号分别输入A、B乘法器中。

速度传感器、速度变换电路和速度调节器，对电动机的运行状态进行判别和处理，将电动机的运行状态信号分别输入A、B乘法器中。

驱动控制器采用不同的控制方法，由直流分配信号发生器对系统提供的信号和速度调节器对系统提供的信号，经过乘法器逻辑控制单元的计算后产生控制信号，与电流传感器输入的电流信号一起，共同保持转子磁链与定子电流之间的确定关系，将电流频率和相位变换信号，分别输入各自独立的电流调节器中，然后传输到PWM发生器中，控制逆变器换流IGBT开关元件的导通与关断，完成脉宽调制，为永磁同步电动机提供正弦波形的三相交流电，同时控制定子绕组的供电频率、电压和电流的大小，使永磁同步电动机产生恒定的转矩和对永磁同步电动机进行调速控制。

系统的给定量是转子转速的大小，系统可以根据不同的给定速度运行，调速范围宽，调速精度也较高。

根据电动机转子位置检测器测得的转子的正方向转角θ的位置信号，使分别属于上桥臂和下桥臂的两只开关元件导通，而且只有在下桥臂的开关元件受控于PWM状态时，电动机处于电动状态运转。

永磁磁阻同步电动机的控制系统如图2-30所示。

c.永磁磁阻同步电动机的机械特性　由于永磁磁阻同步电动机在牵引控制中采用矢量控制方法，在额定转速以下恒转矩运转时，就使定子电流相位领先一个β角，一方面可以增加电动机的转矩，另一方面由于β角领先产生的弱磁作用，使电动机额定转速点增高，增大了电动机在恒转矩运转时的调速范围。如β角继续增加，电动机将运行在恒功率状态。永磁磁阻同步电动机能够实现反馈制动。图2-31所示为永磁磁阻同步电动机的机械特性曲线。

（3）永磁电动机的特点

由于永磁电动机的转子上无绕组，无铜耗，磁通量小，在低负荷时铁损很小，因此永磁电动机具有较高的功率/质量比，比其他类型的电动机有更高的工作频率、更大的输出转矩。转子电磁时间常数较小，电动机的动态特性好，极限转速和制动性能等都优于其他类型的电动机。永磁电动机定子绕组是主要的发热源，其冷却系统比较简单。

由于永磁电动机的磁场产生恒定的磁通量，随着电流量的增加，电动机的转矩与电流成正比增加，因此基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在混合动力汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒定，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这就要求电动机在转速增加时，电压保持恒定。对一般电动机可以用调节励磁电流来控制，但永磁电动机磁场的磁通量调节起来比较困难，因此需要采用磁场控制技术来实现，这使永磁电动机的控制系统变得更复杂，而且增加了成本。

永磁电动机受到永磁材料制造工艺的影响和限制，功率范围较小，最大功率仅数十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，可能会使导磁性能下降或发生退磁现象，因而降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏永磁电动机，在使用中必须严格控制其不发生过载。永磁电动机在恒功率模式下，操纵较复杂，永磁电动机和三相感应电动机一样需要一套复杂的控制系统，从而使永磁电动机的控制系统造价也很高。最新研制和开发的混合励磁永磁磁阻同步电动机使永磁磁阻同步电动机的控制性能得到较大的改进。

美国和日本在永磁磁阻同步电动机方面居领先地位，正在开发的新型永磁磁阻同步电动机有带辅助磁极的永磁磁阻同步电动机、爪形结构的永磁磁阻同步电动机PMHM（permanent magnet hybrid motor）和混合励磁型永磁磁阻同步电动机HSY（hybrid synchronous motor）等。

2.3.4　开关磁阻电动机

（1）开关磁阻电动机的性能

开关磁阻电动机（SRM）是一种新型电动机，它的结构比其他任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上，没有滑环、绕组等转子导体和永久磁铁等。开关磁阻电动机的定子和转子都是凸极结构，只在电动机的定子上安装有简单的集中励磁绕组，励磁绕组的端部较短，没有相间跨接线，磁通量集中于磁极区，通过定子电流来励磁。各组磁路的磁阻随转子位置不同而变化。转子依靠磁引力来运行，转速可以达到1500r/min。在较宽的转速和转矩范围内效率可以达到85％～93％，比三相感应电动机要高。其转矩-转速特性好，在较宽的转速范围内，转矩、转速可灵活控制，调速控制较简单，并可实现四象限运行。有较高的启动转矩和较低的启动功率，开关磁阻电动机功率密度高，结构简单坚固，可靠性好，但转矩脉动大，控制系统较复杂，工作噪声大，体积比同样功率的三相感应电动机要大一些。

（2）开关磁阻电动机的结构

开关磁阻电动机的定子和转子采用凸极结构，定子和转子都是由硅钢片叠片组成，开关磁阻电动机的定子和转子极数不同，有多种组合方式，最常见的有四相8/6结构和三相6/4结构。三相开关磁阻电动机的定子上有6个凸极，转子上有4个凸极。四相开关磁阻电动机的定子上有8个凸极，转子上有6个凸极。在定子相对称的两个凸极上的集中绕组互相串联，构成一相，但在转子上没有任何绕组。因此，定子上有6个凸极的为三相开关磁阻电动机，定子上有8个凸极的为四相开关磁阻电动机，依此类推。由于开关磁阻电动机的定子凸极数量不同，形成不同极数的开关磁阻电动机。开关磁阻电动机的结构方案有多种组合方式，具体见表2-6。

图2-32（a）所示为三相6/4凸极结构的开关磁阻电动机的定子和转子结构剖面示意图，图2-32（b）所示为三相12/8凸极（双绕组）结构的开关磁阻电动机的定子和转子结构剖面示意图，图2-32（c）为四相8/6凸极结构的开关磁阻电动机的定子和转子结构剖面示意图。

（3）开关磁阻电动机的工作原理

图2-33所示为三相开关磁阻电动机的工作原理，可以看出如果按A、B、C、A的顺序向定子绕组轮流通电时，定子便产生按顺序变换的磁场，电动机的转子即连续不断地逆时针转动。如果反过来按A'、C'、B'、A'改变定子绕组通电顺序时，就可以改变开关磁阻电动机转子转动的方向。图2-33中三相开关磁阻电动机定子的凸极数为6个，转子的凸极数为4个，当A、B、C三相轮流通电一次时，转子共转π/2步进角。如果改变电流的大小，则可改变电动机转矩的大小进而改变电动机的转速。如果控制在转子极离开定子极时通电，即可产生与转子旋转方向相反的制动转矩。

（4）开关磁阻电动机的特点

①开关磁阻电动机的优点

a.高启动转矩、低启动电流　一般直流电动机在100％的额定电流时可获得100％的额定转矩。感应电动机在300％额定电流时，才能获得100％的额定转矩。而试验结果表明，开关磁阻电动机在15％的额定电流时，即可获得100％的额定转矩，而且还可以延伸到低速运行段，恒转矩的调速范围可达到1:30。用低启动电流即可获得高的启动转矩，并且没有启动冲击电流，是开关磁阻电动机的最大特点。开关磁阻电动机具有较高的功率密度，其效率和输出功率可以在相当宽的转速和负载范围内保持较高的水平，实现高效优化调节控制，其系统效率可以达到85％以上，具有明显的节能效果，比不调速电动机的效率还要高，非常适合混合动力汽车的驱动要求，这对采用电池作为动力能源的混合动力汽车具有很大的吸引力和实用性。

b.高效率、低损耗、耐热　开关磁阻电动机系统在运行时电动机绕组通电状态的改变与电动机转子位置变化相同步，所以不会产生失步现象。开关磁阻电动机的可控参数多，动态响应快，因此在宽转速范围运行区内和不同负载的条件下，也不会发生变频器供电时三相异步电动机在低频时易发生的不稳定的振荡现象和永磁电动机因受高温影响而出现的失磁现象。开关磁阻电动机的调速系统效率非常高，电流的幅值、转矩的方向及大小都能得到控制，可以实现软启动和四象限运转，控制起来灵活、方便。

开关磁阻电动机的转子从结构上就不存在铜耗，在运转时绕组电阻损耗和铁损耗低，而且都只出现在定子上，这样电动机的散热比较容易，另一方面在转子上没有绕组和永磁体，转子允许的最高温度大大地高于其他类型的电动机。

c.结构简单、适于高速运转　开关磁阻电动机的转子只是一段叠片铁芯，上面没有任何形式的绕组，转子惯量低，系统动态响应快，转子的机械强度高，对转子的转速限制少，可在15000～50000r/min以上超高转速下运转，可以有更大的调速范围，还不存在因高速和高温引起的退磁现象，这是开关磁阻电动机的突出特点。

定子上也只有结构简单的集中绕组，转子、定子都是大齿槽结构，绕组端部短而且牢固。它的结构比通常认为最简单的笼型感应电动机的结构还要简单。可靠性高，绝缘结构简单，制造简便，便于维修，这也是开关磁阻电动机的突出特点。

d.功率电路简单　一般感应电动机绕组需要通过双向电流，因此为它供应电流的PWM变频器的功率电路每相都需要两个功率开关。而开关磁阻电动机转矩方向与电流方向无关，只需要单方向绕组电流，为它供应电流的功率电路每相只需一个功率开关，功率开关和辅助器件少，电路结构简单。开关磁阻电动机功率变换器系统中的保护电路可以简化，从而提高了功率变换器系统的可靠性，并适用于在频繁启、停、变速和制动的工况下工作。另外，开关磁阻电动机的功率开关器件直接与电动机定子绕组串联，完全避免了在感应电动机和直流无刷电动机驱动系统的逆变器中，上下两个开关同时导通而形成直通短路引起功率开关器件被烧毁的现象发生。

e.可靠性好　一般感应电动机是在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形磁场，电动机才能正常运转，如果其中有一相电路发生故障时感应电动机就不能正常运转以致烧毁。开关磁阻电动机各相的定子绕组和磁路互相独立，各相电路单独为本相绕组供电，并且各自在一定的转角范围内产生电磁转矩，一般也是独立工作。当开关磁阻电动机的一相绕组和磁路或控制器的一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机仍然可以继续运转，只是减少了电动机的输出总功率，无其他影响，是一种可靠性极高的系统。

f.良好的适应性、成本低　开关磁阻电动机加速时间和减速时间，可以自动与负载相适应，还可以根据使用条件来设定。瞬时断电时不跳闸，能够自动恢复以前的运行状态。由于结构简单牢固，转子上没有任何形式的绕组，更能够适应在潮湿、多粉尘的恶劣环境条件下工作，结构特性好，制造成本低，不需要进行维护等。

②开关磁阻电动机的缺点

a.转矩有脉动现象　开关磁阻电动机中的磁场是跳跃性旋转的，使开关磁阻电动机输出的转速与转矩产生脉动现象，目前只可以在不太宽的转速范围内，使开关磁阻电动机的脉动降低到交流感应电动机的水平，但要在宽度较大的转速范围内都能控制脉动在小的范围内，限于开关磁阻电动机系统有高的非线性特性，实际控制中是非常困难的。

b.振动与噪声　开关磁阻电动机的转速与转矩有脉动现象，另外还有单边磁拉力的作用，使电动机产生振动与噪声，有时功率变换器的开关频率也会产生噪声，一般开关磁阻电动机的噪声要超过其他类型的电动机。

c.控制系统复杂　开关磁阻电动机的控制系统相对于其他电动机的控制系统复杂一些，包括位置检测器和电流检测器等控制总成。开关磁阻电动机、位置检测器和电流检测器等的引线比其他电动机要多，使控制和接线更复杂。

d.脉冲电流的影响　开关磁阻电动机的相电流是脉冲电流，因此功率变换器的直流电流一侧的电流波动也较大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。

2.3.5　电动机的控制系统

对混合动力汽车电动机控制系统贯彻保证车辆的安全、节能、环保以及舒适和通信等方面原则，对混合动力汽车的动力系统、车身、底盘和车载电子、电气设备进行全方位的自动控制。车身、底盘及电子、电气设备绝大部分可以与智能汽车通用，但混合动力汽车的特点，就在于动力系统与内燃机汽车动力系统有本质的区别，在混合动力汽车上是采用电源-电源转换器-驱动电动机的动力系统，属于电力驱动技术范畴，因此对混合动力汽车驱动电动机的控制和智能控制的研究，是混合动力汽车的关键技术。

混合动力汽车的电动机有多种控制模式，如VVVF、FOC、MEAC、STCVSC等，要求混合动力汽车的驱动电动机能够在恒转矩和恒功率的宽大区域内运转，如在0～1200r/min的高转速范围内运转，要求保持高效率并实现四象限运转。

感应电动机多采用矢量控制（FOC），这是一种比较好的控制方法。近年来发展起来的变结构控制（VSC）、模糊控制（fuzzy）、神经元网络控制（neural networks）和专家系统控制（expert system）等控制理论和控制方法，使各种电动机的驱动和控制技术发展到更高的阶段。

各种大功率电子器件，如MOSFET、IGBT、COMFET、MCT和STT等的使用，还有微处理器、DSP等硬件的应用，为混合动力汽车的电动机的控制方法和智能控制提供了重要保证。

混合动力汽车动力系统和驱动力控制系统由动力电池组、电流转换器（逆变器）、发动机-发电机组和驱动电动机以及一些电子器件和线路共同组成，混合动力汽车的关键是对动力电池组、发动机-发电机组、驱动电动机的控制或智能控制。

（1）混合动力汽车电动机的控制系统组成部分

混合动力汽车上驱动电动机的控制系统基本由以下四大部分组成。

①信号输入　混合动力汽车主要输入信号源来自加速踏板的位移量以及由电动机反馈的信号和监测装置反馈的信号，该信号一般转换为电信号，经过接口输入计算机中。

②信号处理和输出　以车载计算机为核心的中央控制器作为信号处理和指令输出的核心，在中央控制器中装有测量元件、乘法器、比较元件、逻辑控制单元、数据库和各种传感器等电子器件，对输入控制信号的输入量进行快速、精确的运算，并产生相应的偏差信号。将运算得出的微弱偏差信号，经过放大元件进行放大或变换，使输出指令的偏差信号足够大，然后通过接口输送到各个控制模块中去。

③执行元件　控制模块和各种执行机构是控制系统的执行元件，根据放大元件所放大或变换的偏差信号，控制模块和各种执行机构对被控制对象发出控制指令，使被控对象按照规定的指令（参数）运行。

④信息反馈　电动机运转监测装置上的传感器，对电动机的运转进行监测，并将电动机运转中的机械量和电量的变化及时反馈到中央控制器，中央控制器将反馈信息进行对比、运算后，对输出的指令进行调整和修改，使被控对象的运行参数与输入信号的给定值趋于一致，并使被控对象按照新的指令（参数）运行。

（2）变频器

①变频器的功能　在各种电动车辆上，采用动力电池组的直流电作为电源，和采用三相交流电动机作为驱动电动机时，三相交流电动机不能直接使用直流电源。三相交流电动机具有非线性输出特性，需要应用变频器中的功率半导体变换器件，来实现直流电源与三相交流电动机之间电流的传输和变换，并要求能够实现频率调节，在所调节的频率范围内保持功率的连续输出，同时实现电压的调节，能够在恒定转矩范围内维持气隙磁通恒定，将直流电变换为频率和幅值可调且电压可调的交流电来驱动三相交流电动机。

用变频器对三相交流电动机进行调速控制的控制系统的特点如下。

a.实现了对三相交流电动机的调速控制，扩大了交流电动机的转速范围，实现恒功率范围内的运转，可以对交流电动机进行高速驱动。

b.可以实现大范围内的高效率连续调速控制。进行高频率启动和停止运转，并进行电气制动，快速控制交流电动机正、反转的切换。

c.所需要的电源容量较小，电源功率因数较大，可以用一台变频器对多台交流电动机进行控制，组成高性能的控制系统等。

②变频器基本结构模型　变频器在电动车辆上应用十分普遍，变频器的基本功率电路有以下几种。

a.交-直-交逆变器系统　在有220/380V交流电源处，一般采用交-直-交逆变器系统，其基本功率电路如图2-34所示。

b.交-交变频器系统　在有220/380V交流电源处，还可以采用交-交变频器系统，其基本功率电路如图2-35所示。

c.直-交逆变器系统　在电动车辆有直流动力电池组电源时，还可以采用直-交逆变器系统，其基本功率电路如图2-36所示。

③变频器的种类　随着电气技术的发展，变频器和逆变器都采用现代控制技术或智能控制技术，使它们在多种电动机的控制上得到广泛应用。变频器有多种结构模型和多种应用场合，可以用以下方法分类。

a.按主要功率电路分

ⅰ.电压型变频器　又称电压源逆变器，其主要功率电路结构模型如图2-37所示，最简单的电压型变频器由晶闸管整流器和电压型逆变器组成，用晶闸管整流器调压，逆变器调频。电源电流经过整流器整流为直流电，在中间直流电环节并联大电容滤波，使中间直流电源近似恒压源且低阻抗。经过逆变器输出的交流电压，具有电压源性质，不受负载性质的影响，但调速动态响应较慢，由于反馈能量传送到中间直流电环节并联的电容中，使直流电压上升，为防止换流器件被损坏，需要在功率电路配置专门的放电电路。

电压型变频器的三相逆变电路由6个具有单向导电性的功率半导体开关组成，每个功率开关上反并联1个续流二极管，6个功率开关每隔60°电角度触发导通一次。

ⅱ.电流型变频器　又称电流源逆变器，其结构模型如图2-38所示，最简单的电流型变频器由晶闸管整流器和电流型逆变器组成，用晶闸管整流器调压，逆变器调频。电源电流经过整流器整流为直流电，在中间直流电环节串联的大容量电感起限流作用，使中间直流电以平滑波形输出，逆变器向负载输出的交流电流为不受负载影响的矩形波，具有电流源性质。电流型变频器调速动态响应快，可以实现正、反转并便于反馈制动。

在电动机制动时，可以通过中间直流电环节电压反向的方式使整流电路变为逆变电路，将负载反馈的能量回馈给电源，而且在负载短路时比较容易处理，更适合于电动车辆应用。

电流型变频器的三相逆变电路仍然是由6个具有单向导电性的功率半导体开关所组成，但在每个功率开关上没有反并联续流二极管。

b.按开关方式分　一般变频器按开关方式分类时，是指按变频器中的逆变器开关方式分类，通常有以下几种。

ⅰ.PAM（pulse amplitude modulation）控制　PAM称为脉冲振幅调制，是在变频器整流电路中对输出电压（电流）的幅值进行控制，以及在变频器逆变电路中对输出的频率进行控制的控制方式。PAM控制时逆变器换流器件的开关频率（载波频率）即是变频器的输出频率，是一种同步调速方式。

PAM控制载波频率比较低，在用PAM控制进行调速驱动时，电动机的运转效率高，噪声较低，但PAM控制必须对整流电路和逆变器电路同时进行控制，控制电路比较复杂，另外在电动机低速运转时波动较大（图2-39）。

ⅱ.PWM（pulse width modulation）控制　PWM称为脉冲宽度调制，是在变频器的逆变电路中，同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。在PWM控制时，以较高的频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来实现控制电压（电流）的目的。PWM控制时变频器输出的频率不等于逆变电路换流器件的开关频率，属于异步调速方式。

PWM控制方式可以减少高次谐波带来的各种不良影响，转矩波动小，控制电路简单，成本也较低。但当载波频率不合适时，电动机在运转时会产生较大的运转噪声。在系统中增加一个可以改变变频器载波频率的系统，即可降低电动机在运转时的运转噪声。

通常采用正弦波PWM的控制，通过改变PWM输出的脉冲宽度，使电压的平均值接近于正弦波，可以使异步电动机在进行调速运转时能够更加平稳。电压型PWM控制基本电路如图2-40所示。

ⅲ.高载频PWM控制　高载频PWM称为高载频脉冲宽度调制，是PWM控制方式的改进，在高载频PWM控制方式中，将载频的频率提高到超过人耳可以听到的频率（10～20kHz）以上，从而降低电动机运转噪声。由于高载频PWM要求逆变器的换流器件有高的开关速度，因此只能采用IGBT和MOSFET等有较大容量的半导体元器件，但变频器的容量还是受到限制，高载频PWM控制时变频器输出的频率不等于逆变电路换流器件的开关频率，属于异步调速方式。高载频PWM控制方式主要用于低噪声型变频器。

c.按工作原理分　变频器按工作原理分类有以下几种。

ⅰ.V/f变频器　V/f（电压/频率比）变频器在工作时对变频器的电压和频率同时进行控制，使V/f保持一定来获得电动机所需要的转矩。V/f控制方式是一种比较简单的控制方式，多用于对精度要求不太高的通用变频器中，控制电路的成本也比较低。

ⅱ.转差频率控制变频器　这种变频器是V/f变频器的改进，转差频率控制变频器控制系统中，利用装在电动机上的速度传感器的速度闭环控制和变频器电脉冲控制电动机的实际转速。变频器的输出频率则是由电动机的实际转速与所需的转差频率而被自动设定的，从而达到在进行速度调控的同时控制电动机输出转矩的目的。在负载发生较大变化时，仍然可以保持较高的速度精度和较好的转矩特性。

ⅲ.矢量控制变频器　其工作原理是将交流电动机定子电流进行矢量变换，按矢量变换规律由三相变为两相，将静止坐标转换为旋转坐标，把交流电动机定子电流矢量分为产生磁场的励磁电流分量和与其相垂直的产生转矩的转矩电流分量。在控制中同时对定子电流的幅值和相位进行控制，也就是对定子电流矢量进行控制。

矢量控制方式可以对交流电动机进行高性能的控制，采用矢量控制方式不仅可以使交流电动机的调速范围达到直流电动机的水平，而且可以控制交流电动机产生的转矩。矢量控制方式一般需要准确地掌握所控制的电动机的性能参数，因此需要变频器与专用电动机配套使用。新型矢量控制方式增加了自调整功能，自调整矢量控制方式在电动机正常运转之前，自动对电动机的运转参数进行辨识，并根据辨识情况调整和控制计算中的有关参数，使自调整矢量控制方式能够应用到普通交流电动机上。

d.按用途分

ⅰ.通用变频器　可以对普通交流电动机进行控制。简易型通用变频器主要用于对调速性能要求不高的场合。高性能通用变频器在控制系统硬件和软件方面增加了相应的功能，用户可以根据电动机负载的特性选择算法和对变频器的参数进行设定，图2-41所示为通用变频器的内部结构，此类通用变频器具有以下功能。

·对电动机具有全区域自动转矩补偿功能、防止失速功能和过转矩限定运行等功能。

·对带励磁释放型制动器电动机进行可靠的驱动和调速控制，并保证带励磁释放型制动器电动机的制动器能够可靠释放。

·减少机械振动和降低冲击作用。

·运转状态检测显示功能，根据设定机械运行的互锁，使操作人员及时了解和控制变频器的运行状态，对机械进行保护等。

ⅱ.高频变频器　在电动车辆上常采用高速电动机，用PAM控制方式控制的高速电动机用变频器，输出的频率可达到3kHz，在驱动交流电动机时，最高转速可达到18000r/min。

ⅲ.高性能专用变频器　通常高性能专用变频器基本采用了矢量控制方式，并与专用电动机配套使用，在调速性能和对转矩的控制方面都超过了直流伺服系统，而且能够满足特定的电动机的需要，一般在混合动力汽车上都采用高性能专用变频器进行控制。

高性能专用变频器的主要功能如下。

·根据操纵装置输入的信号和各部分传感器反馈的信号自动调节与控制电动机的转速和转矩。

·在恒转矩范围和恒功率范围内对电动机的转速和转矩进行调节与控制。

·蓄电池过电压或电压不足的限制。

·制动能量的反馈回收。

·自动热控制、保护系统和安全系统。

·在显示屏上显示蓄电池、动力系统和车辆的动态信号等。

④各种不同控制方式变频器的特点　各种不同控制方式变频器的应用范围和基本特性对比见表2-7。