谈谈新能源混合动力车辆— 电驱动关键技术(3)

在新能源汽车领域中，混合动力汽车是由传统燃油车过渡到燃料电池汽车的必经之路，而对混合动力汽车的研究至关重要，无论是国内的上汽、比亚迪、长城、吉利，还是国外的丰田、本田、通用等都有相应的混动产品来满足日益严格的排放和油耗法规要求。

因此，对混合动力车辆电驱动系统的研究尤为重要，特别是动力总成以及附属部件的关键技术，接下来，会对电驱动系统中的电机和电池技术做一个全方位的介绍，让大家对混合动力系统的电驱动系核心部件：电机和电池有更加深入的理解和认识。

上一讲，笔者对三相交流电机的基础知识、分类、物理现象以及关键参数进行了详细介绍，本讲接着上一讲的内容，对电机系统中的感应电机、永磁电机以及开关磁阻电机做进一步的深入讲解。

首先介绍感应电机，感应电机分两种：笼型感应电机和绕线转子式感应电机。

笼型感应电机结构坚固，成本低，大多数被用于工业行业，转子绕组由短路绕组组成，绕组由槽内的条状铜导体和端环构成；绕线转子式感应电机的转子末端通过集电环与外界相连，集电环可控制电机转速。

下图所示为三相感应电机的定子电路图、转子电路图、磁轴示意图。

三相感应电机的定子电路图、转子电路图、磁轴

由上图可知，转子转速和定子同步转速的差值表达式为：

关键参数：

We为同步转速；Wm为电机转速或者转子转速。

而对应于感应电机的鼠笼结构如下图所示：

感应电机鼠笼结构

因此，感应电机的转差频率表达式如下：

关键参数：

s为转差率；f为频率；fslip为转差频率。

接下来，介绍永磁电机。

永磁电机采用永磁体来产生气隙磁通量，永磁体代替了直流电机中的磁场线圈和感应电机中定子的励磁体，永磁同步电机的同步结构如下图所示：

永磁同步电机结构

对于永磁电机，大致分为两类：

1、永磁同步电机，类似于感应电机，定子磁场在匀速转动，感应波形呈正弦曲线，可以对其进行矢量控制和dq变换；

2、永磁无刷直流电机，产生的感应电压呈梯形分布，相电流为长方或正方波形，这类永磁电机也被称为方波或者电子整流电机，定子磁场呈方波脉冲阶跃变换。

而永磁电机的一个核心点就是永磁体特性，如下图所示：

永磁体特性图

对于永磁体，可看做磁动势源，也可以看成一个恒流源，永磁体的磁导率比空气的磁导率略微高一点，由上图永磁体的特性图可以看出：工作点只要在B-H曲线图的线性区域内，则永磁体的磁性就不会衰退，但若磁通密度减少并低于拐点Bd以下时，就会存在磁损。

在交流电机励磁范围内，使用永磁体有以下几个特点：

1、永磁体结构紧凑，不需要连接外部固定电路就可以提供无损耗的磁场，且这个优点特别适合小型电机；

2、大型同步电机利用转子导体来提供励磁，虽然在励磁电路中存在损耗，但与高成本的永磁体相比，消耗较少；

3、小型电机对磁动势的要求较小，阻抗影响占主导地位，并直接导致了低效率；

4、绕组的截面积随着电机体积的变小而变小。

基于永磁体的以上特点，尽管永磁电机的体积相对较大，但它仍然是电动汽车和混合动力汽车用驱动电机的首选，在目前的几乎所有混合动力汽车中，均选择永磁电机作为驱动电机，主要是由于永磁电机的高功率密度和优异的性能决定的。

由永磁电机的结构及永磁体特性可知永磁电机可连续输出转矩，表达式如下：

关键参数：

Te为电机转矩；Lm为电感；If为等效电流。

在了解了感应电机、永磁电机基础上，最后对开关磁阻电机进行详细介绍。

对于开关磁阻电机，一般为双凸极结构，其每相均有独立绕组，为单边励磁电机，定子和转子均由磁钢片堆叠而成，转子中没有绕组和永磁体；相对的两极定子绕组并联或串联在一起形成电机的一相，当定子的某相通电后，为了减少磁路的阻抗，离该定子凸极最近的转子凸极会向其运动，若按相顺序依次通电时，开关磁阻电机能产生顺时针(逆时针)的恒转矩。下图为四相开关磁阻电机磁通—转角—电流关系图。

四相开关磁阻电机磁通—转角—电流关系

当某一相的转子和定子凸极完全对齐时，此时产生最小的磁阻，定义为该相的对准位置，此时该相非饱和电感的值最大，随着该相转子凸极的转动，非饱和电感值逐渐减少，当某相转子的凸极和定子的凸极不重合时，称为非对准位置，此时该相的电感值最小。

此外，开关磁阻电机也存在其他类型的定子/转子极数结构，但不足是当定子和转子的位置完全对准时，不能产生起动转矩，存在死点(零转矩点)，而当高配比定子/转子磁极组合的电机，转矩脉动较低，不会出现起动转矩为零的问题。

对于开关磁阻电机，结合以上分析，其结构主要优点：

1、结构简单，容易冷却，起动转矩较高，转子耐高温；

2、容错能力强，不会出现直通短路故障；

3、与感应电机相比，开关磁阻电机的控制更为简单。

主要缺点：

1、提高了对逆变器功率的要求，且每安培对应的效率和转矩降低；

2、转矩脉动和噪声较大，与其他电机相比，由于双凸极结构和每相独立产生分散转矩会导致较高的转矩脉动，高转矩脉动会在直流电源中产生大的波动电流，因此，需要一个大的滤波电容进行缓冲。

以上为笔者本次分享的内容，在下一讲中会对电机驱动系统的组成、原理等做深入介绍分析。

未完待续！

原文作者：SOA开发者

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