2.2　混合动力汽车的电动机

（1）混合动力汽车的电动机系统特点　混合动力汽车上电动机系统的工作条件以及其工作模式和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下列特点。

①混合动力汽车上所使用的电动机通常要求频繁启停、频繁加减速以及工作模式的频繁切换（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和发电的功能），这对电动机的响应性能提出了更高的要求。

②混合动力汽车驱动电动机需要有4～5倍的过载转矩，来满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求；而工业驱动电动机仅要求有2倍的过载转矩就可以了。此外，混合动力汽车驱动电动机的最高转速要求达到公路上巡航时基速的4～5倍，而工业驱动电动机仅要求达到恒定功率时基速的2倍。

③因为汽车内部空间紧张，通常要求电动机系统体积小、重量轻以及具有较高的功率密度和工作效率等性能。此外，相对于传统工业电动机来说，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、抗振性及抗干扰性。

④传统电动机通常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，且因为混合动力电动机工作模式的特殊性（电动机的工况常常处于动态变化中），额定功率这个参数对于混合动力汽车所使用的电动机来说，没有太大的意义，因此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的电源供电，而混合动力电动机所应用的电能来源于蓄电池，且由功率转化器直接供给。此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电动机逆变器成本的角度来说，通常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着以下特殊要求：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种类　高功率密度、高效率、宽调速的车辆牵引电动机及其控制系统既是混合动力汽车的“心脏”，又是混合动力汽车研制的关键技术之一。

混合动力汽车在不同的历史时期选用了不同的电动机，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、机械制造技术及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为优越的性能，这些电动机正在逐渐取代直流电动机。图2-2所示为现代混合动力汽车所采用的各种电动机，表2-3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。

注：只进行各电动机之间的定性比较。

（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包括电动机类型、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。此外，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，尽量采用高电压，这样可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，尤其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转速能够达到8000～12000r/min，高转速电动机的体积较小，质量较小，有助于降低混合动力汽车的整车的装备质量。

③电动机采用铝合金外壳，以减小电动机的质量，各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽量小。此外，还要求电动机和控制装置在运转时的噪声要低。

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

⑤混合动力汽车应有最优化的能量利用，电动机应高效率、低损耗，并且在车辆减速时，实现再生制动能量的回收。再生制动回收的能量通常可达到总能量的10%～15%，这在内燃机汽车上是无法实现的。

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

此外，电动机还要求可靠性好，耐温和耐潮性能强，运行时噪声低，可以在较恶劣的环境下长期工作，结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。

2.2.1　直流电动机

在早期开发的混合动力汽车上多使用直流电动机，但在新研制的混合动力汽车上已基本不再使用直流电动机。直流电动机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；但效率较低、重量大、体积大、价格高。

（1）直流电动机的种类和基本性能　在混合动力汽车上，最常采用的包括他励直流电动机和串励直流电动机。

①他励直流电动机。可以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与稳定输出特性，可以扩大其调速范围，可以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。励磁电流与电枢电流相等，能获得每单位电流的最高转矩，启动转矩大，具有较好的启动特性以及较宽的恒功率调速范围，有助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，通常用斩波器来控制，最常采用的有IGBT电子功率开关的斩波器用作控制装置。IGBT斩波器是在直流电源和直流电动机之间的一个周期性的通断开关装置，斩波器按照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从零到最高电压，和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，可以供用户选用。

（3）直流电动机的特点　直流电动机的电枢和磁场可以分别控制，所以控制起来比较容易，而且控制性能较好，直流电动机的容量范围很广，能够根据所需的转矩和最高转速来选用所需要的容量，市场上具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均较为成熟，驱动系统较便宜。

由于直流电动机在结构上有电刷、换向器等接触零件，它们容易磨损，在高速旋转时电刷和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，结构比较复杂，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，需经常维护和修理。

2.2.2　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包括笼型异步感应电动机（简称感应电动机）和绕线型异步感应电动机两种。笼型异步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与转子由层叠、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，持久耐用，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非常广，最高转速可达10000～12000r/min，可以采取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，而且能够实现再生反馈制动。与同功率的直流电动机相比，效率较高，质量约减小一半左右。三相异步感应电动机已可以大批量生产，有各种不同型号规格的产品供用户选用，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，通常采用发电机或动力电池组作为电源，三相异步感应电动机无法直接使用直流电源，此外，三相异步感应电动机具有非线性输出特性，所以，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变换器件，将直流电变换为频率和幅值均可以调节的交流电，来实现对三相异步感应电动机的控制。在混合动力汽车上，按照混合动力汽车的模型结构不同，一般功率电路有交-直-交逆变器系统、交-交变频器系统、直-交逆变器系统。在装有交流发电机的混合动力汽车上，根据动力系统模型结构的要求，可以采用前两种变频器系统。

2.2.3　永磁电动机

2.2.3.1　永磁电动机的种类

永磁电动机有两种形式，两种永磁电动机的同步特性的区别，表现在它们的电波曲线形状上：矩形脉冲波电流，永磁无刷直流电动机PM BDC具有矩形脉冲波电流；正弦波电流，永磁同步电动机SPM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，但因为它们是从不同类型的电动机发展而来的，所以具有不同的名称。这两种永磁电动机在结构及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，定子电枢大多采用整距集中绕组。

永磁电动机的同步特性比较如图2-3所示。

2.2.3.2　永磁电动机的结构

按照永久磁铁在永磁电动机上的布置，可以将永磁电动机分为内部永磁型IPM、表面永磁型SPM以及镶嵌式（混合式）永磁型ISPM几种结构形式，将永磁磁极按照N极和S级顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。

（1）磁性转子的结构

①内部永磁型磁性转子。其磁路结构可分为径向型磁路结构、切向型磁路结构及混合型磁路结构。

图2-4中1～5为径向型内部永磁转子结构，径向型磁路磁性转子漏磁小，而且不需要隔离环，但它的每个磁极的有效面积仅约为切向型内部永磁转子的一半，为了提高径向型内部永磁转子的有效面积，大多采用图2-4中5的截面形状。图2-4中6～8为切向型内部永磁转子结构，切向型内部永磁转子会由于q轴电枢反应较强，从而减少了有效转矩，可以采用图2-4中8的形式，在转子上开闭口空气槽，能够改善对其转矩的影响。图2-4中9为混合型内部永磁转子结构。

②表面永磁型磁性转子。图2-4中10～12为表面永磁型转子结构，表面永磁型转子的使用正在逐渐增多。图2-5所示为表面永磁型转子永磁电动机的横截面。

③混合式永磁型磁性转子。图2-6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能够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）磁极的数量　通常感应电动机的磁极数量增多以后，电动机在相同的转速下，工作频率随之增加，定子的铜损和铁损也相应增加，将造成功率因数急剧下降。磁阻电动机的磁极数量增多以后，会使电动机输出的最大转矩和最小转矩之间的差值很大，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之后，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以后，不但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及重量。

永磁电动机的气隙直径与有效长度受电动机的额定转矩、气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数变化的影响。气隙磁通密度主要受磁性材料磁性的限制，所以需要采用磁能密度高的磁性材料。此外，在气隙磁通密度相同的条件下，增加磁极的数量，即可减小电动机磁极的横截面面积，从而减小电动机转子铁芯的直径。图2-7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，所以可以减小电动机的重量。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，是提高永磁电动机性能及效率的主要途径。

（3）永磁材料　永磁电动机的永磁材料种类繁多，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，但是铁氧体的磁能很低，使永磁电动机的体积增大，结构比较笨重。现代主要采用稀土合金永磁材料来制造永磁电动机的磁极，它的能量密度明显超过其他永磁材料制成的磁极。钕-铁-硼（Nd-Fe-B）稀土合金的磁能积最高，具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，而且相对价格也不高。磁极的磁性材料不同，电动机的磁通量密度也不同，磁通量密度大时，永磁电动机的体积和重量均将减小。

采用钕-铁-硼稀土合金永磁材料时，因为其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，所以，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，通常在电动机上要采取强制冷却措施。钕-铁-硼稀土合金要比钐-钴（Sm-Co）稀土合金具有更好的力学性能，价格也较低，稀土合金永磁材料在制造中都必须进行适当加固，否则无法承受高速运转时的作用力。

2.2.3.3　永磁无刷直流电动机

（1）永磁无刷直流电动机的结构　永磁无刷电动机可以视为一台用电子换向装置代替机械换向装置的直流电动机，永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器以及电子换向电路组成。无论是结构还是控制方式，永磁无刷直流电动机与传统的直流电动机都有很多相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极；用具有多相绕组的定子代替电枢；用由固态逆变器及轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。

（2）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，直接将方波（矩形脉冲波）电流输入其定子中，控制永磁无刷直流电动机转动。矩形脉冲波电流可以使电动机得到较大的转矩。永磁无刷直流电动机的优点为效率高（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、体积小、重量轻。输出转矩和转动惯量比值大于相似的三相感应电动机。永磁电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能均优于其他种类的电动机。若输出的波形不好，会发生较大的转矩冲击式输出，影响电动机的低速性能，电流损耗大，工作噪声大。

由于电流反馈控制的无刷直流电动机具有近似正弦气隙磁通密度和正弦定子反馈电流，因此它要比同样体积的永磁同步电动机的输出功率大15%。在同样转速的情况下，电流反馈控制的无刷直流电动机输出的转矩比永磁同步电动机也要大15%。但是无刷直流电动机的损耗、噪声和转矩波动，均比永磁同步电动机大，对无刷直流电动机的使用带来一些影响。

（3）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及宽广的调速范围。永磁无刷直流电动机的控制系统比较复杂，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则较为容易，驱动效率也最高。

永磁无刷直流电动机的基本控制系统由直流电源、电容器、三相绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器、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）驱动电路以及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，并且经过位置信号处理，将信号输送到逻辑控制单元，码盘检测电动机的转速，通过速度反馈单元、速度调节器，对电动机的运行状态进行判别，将信号输送至逻辑控制单元，经过逻辑控制单元计算后，将控制信号传送到PWM发生器。

电流检测器根据闭环控制方式，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。

由转轴位置检测器依据转角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DA、DB、DC，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，自动换流来改变定子绕组的供电频率及电流的大小，控制逆变器功率开关元件的导通规律。如图2-8所示，逆变器的功率开关由上半桥开关元件S1～S3与下半桥开关元件S4～S6组成，在同一时刻只有处于不同桥臂上的一只开关元件（IGBT）被导通（例如S1和S6），电动机的电磁转矩和开关元件导通的电流成正比。

2.2.3.4　永磁磁阻同步电动机

（1）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代替他励同步电动机的转子励磁绕组，将磁铁插入转子内部，形成同步旋转的磁极。电动机的定子和普通同步电动机两层六极永磁磁阻同步电动机的定子一样，如图2-9所示，转子上不再用励磁绕组、集电环以及电刷等来为转子输入励磁电流，输入转子的是三相正弦波电流。永磁磁阻同步电动机具有高效率（达97%）及高比功率（远远超过1kW/kg）的优点。输出转矩与转动惯量比均大于相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。永磁磁阻电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能均优于其他种类的电动机，工作噪声也低。

在同步电动机的轴上安装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。和相同功率的其他类型的电动机相比，它更加适宜作为EV、FCEV和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轴磁阻和d轴磁阻之差，来获得更大的磁阻转矩，所以采用多层的转子结构。不同层数的永磁磁阻同步电动机的转子如图2-10所示，有单层、双层、3层和10层等。转子的层数增加，q轴绕组电感-d轴绕组电感也增大，但增加层数超过3层，q轴绕组电感-d轴绕组电感变化不大，通常为2～3层。

（2）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进行控制，其控制系统由直流电源、电容器、三相绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器、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、驱动电路及其他一些元件等共同组成。

微处理器控制模块中有乘法器、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逆变器等主要电子器件，PWM逆变器的作用是将直流电通过脉宽调制变为频率和电压可变的交流电，电压波形有正弦波或方波。

①转子位置检测器根据检测转子磁极的位置信号与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，形成电流分配信号，将信号分别输入A、B乘法器中。

②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及处理，将电动机的运行状态信号分别输入A、B乘法器中。

③控制驱动器采用不同的控制方法，由电流分配信号发生器及速度调节器对系统提供信号，经过乘法器逻辑控制单元的计算后产生控制信号，并和电流传感器输入的电流信号共同保持转子磁链和定子电流之间的确定关系，将电流频率与相位变换信号分别输入各自独立的电流调节器中，然后输出至PWM逆变器中，控制逆变器换流IGBT开关元件的通断，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、电压以及电流的大小，使永磁同步电动机产生恒定的转矩，并对永磁同步电动机进行调速控制。

④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位置的信号DA、DB、DC，使分别属于上桥臂与下桥臂的两只开关元件导通，而且仅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。

根据电动机转轴位置检测器得到的转子反方向转动的信号DA'、DB'、DC'时，分别属于上桥臂与下桥臂的6只开关元件按周期规律交替导通，在每个周期中每只开关元件轮流导通工作60°电角度，PWM处于脉宽调制状态时，电动机处于发电状态运转。

永磁磁阻同步电动机的控制系统如图2-11所示。

（3）永磁磁阻同步电动机的机械特性　永磁磁阻同步电动机在牵引控制中采取矢量控制方法，在额定转速以下恒转矩运转时，使定子电流相位领先一个β角，这样，一方面可以增加电动机的转矩，另一方面因为β角领先产生的弱薄作用，使电动机额定转速点增高，从而增加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可以实现反馈制动。图2-12所示为永磁磁阻同步电动机的机械特性曲线。

2.2.3.5　永磁电动机的特点

因为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，所以永磁电动机具有较高的质量功率，比其他类型的电动机具有更高的工作频率、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，极限转速与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，其冷却系统较为简单。

在混合动力汽车上，通常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改变，这就要求电动机在转速增加时，电压保持恒定，对通常电动机可以用调节励磁电流来控制，而永磁电动机因为其磁场产生恒定的磁通量，随着电流的增加，电动机的转矩和电流成正比增加，所以，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，同时电压随之增加。永磁电动机磁场的磁通量调节起来是比较困难的，所以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加复杂，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及限制，使永磁电动机的功率范围较小，最大功率只有数十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，可能会使导磁性能降低或发生退磁现象，因此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，操纵比较复杂，永磁电动机和三相感应式电动机同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非常高，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。

2.2.4　开关磁阻电动机

2.2.4.1　开关磁阻电动机的性能

开关磁阻电动机是一种新型调速电动机，调速系统具有直流和交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无级调速系统。它的结构简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组等转子导体及永久磁铁等。开关磁阻电动机的定子和转子均是凸极结构，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，磁通量集中在磁极区，通过定子电流来励磁。各组磁路的磁阻随转子位置不同而改变，转子的运转依靠磁引力来运行，转速可达15000r/min，在较宽的转速范围及较宽的转矩范围内效率可达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、转速可以灵活控制，调速控制比较简单，并可实现四象限运行。具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，但是转矩脉动大，控制系统较复杂，工作噪声大，体积比同样功率的感应电动机要大一些。

目前，开关磁阻电动机的应用和发展取得了显著的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器以及纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大转速高达100000r/min。

2.2.4.2　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，定子和转子均是由硅钢片叠片组成的。开关磁阻电动机的定子和转子极数不同，具有多种组合方式，最常见的包括三相6/4结构和四相8/6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，组成一相，但在转子上没有任何绕组。所以，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，因为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见表2-4。

图2-13（a）所示为三相6/4凸极单绕组结构的开关磁阻电动机的定子和转子结构，图2-13（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，图2-13（c）所示为四相8/6凸极结构的开关磁阻电动机的定子和转子结构。

2.2.4.3　开关磁阻电动机的工作原理

图2-14所示为三相开关磁阻电动机的工作原理。从图2-14中可以看出若按A、B、C、A的顺序向定子绕组轮流通电时，定子便产生按照顺序变换的磁场，这时，电动机的转子就会连续不断逆时针地转动。若反过来按A'、C'、B'、A'改变定子绕组通电顺序时，开关磁阻电动机转子就可以改变转动的方向。图2-14所示的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。若改变电流的大小，则可改变电动机转矩的大小进而改变电动机的转速。若控制在转子极离开定子极通电，即可产生与转子旋转方向相反的制动转矩。

2.2.4.4　开关磁阻电动机的特点

（1）开关磁阻电动机的优点　开关磁阻电动机传动系统综合了感应电动机传动系统与直流电动机传动系统的优点，主要如下。

①高启动转矩、低启动电流。试验结果显示，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，而且还能够延伸到低速运行段，恒转矩的调速范围可达1∶30。而通常直流电动机在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，方可获得100%的额定转矩。用低启动电流即可获得高启动转矩，而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，其效率及输出功率又可在宽广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，其系统效率能够达到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，非常适于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极大的吸引力和实用性。

②高效率、低损耗、耐温。开关磁阻电动机的调速系统效率非常高，电流的幅值、转矩的方向及大小均能得到控制，可实现软启动和四象限运转，控制起来灵活、方便，具有其他调速系统很难达到的水平。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和电动机转子位置变化相同步，因此不会产生失步现象。开关磁阻电动机的可控参数多，动态响应快，所以在宽转速范围运行区内和不同负载的条件下，也不会发生在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。开关磁阻电动机的转子从结构上就不存在铜损，在运转时绕组电阻损耗和铁损均只出现在定子上，使电动机的散热比较容易，另外在转子上没有绕组与永磁体，转子允许的最高温度明显高于其他类型的电动机。

③电动机结构简单，适用于高速运转。开关磁阻电动机的转子仅是一段叠片铁芯，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，可以在15000～50000r/min及更高转速下运转，具有更大的调速范围，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。其定子上也只有结构简单的集中绕组，转子和定子都是大齿槽结构，绕组端部短而且牢固。它的结构比一般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，制造方便，便于维修，这也是开关磁阻电动机的突出特点。

④电动机的功率电路简单。通常感应电动机绕组需要通过双向电流，所以为它供应电流的PWM变频器的功率电路每相均需要两个功率开关。而开关磁阻电动机转矩方向和电流方向无关，只需要单方向绕组电流，为它供应电流的功率电路每相仅需要一个功率开关，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能够简化，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。此外，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及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。

⑤可靠性好。通常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，若其中有一相电路发生故障时感应电动机就无法正常运转以致烧毁，开关磁阻电动机各相的定子绕组及磁路互相独立，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，通常也是独立工作。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，仅需停止该相工作，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，没有其他影响，是一种可靠性极高的系统。

⑥良好的适应性，成本低。开关磁阻电动机加速时间与减速时间可以自动与负载相适应，还可以按照使用条件来设定。瞬时断电时不跳闸，能够自动恢复以前的运行状态。因为其结构简单牢固，转子上没有任何形式的绕组，更适宜在潮湿、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。

（2）开关磁阻电动机的缺点

①转矩有脉动现象。从工作原理可知，S开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成的，因为双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而是有一定的谐波分量，这影响了开关磁阻电动机低速运行性能。目前只能够在不太宽的转速范围内，使开关磁阻电动机的脉动下降到交流感应电动机的水平，但要在宽度较大的转速范围内均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。

②振动与噪声。开关磁阻电动机的转速与转矩有脉动现象，此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，通常开关磁阻电动机的噪声要超过其他类型的电动机。

③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要复杂一些，包括位置检测器及电流检测器等控制总成，开关磁阻电动机的引线比其他电动机要多，使控制及接线更复杂。

④脉冲电流的影响。开关磁阻电动机的相电流是脉冲电流，这就会对为它供电的直流电源产生很大的脉冲电流，所以功率变换器直流电流一侧的电流波动也较大，因此在直流母线上需要设置一个很大的滤波电容器。

上述缺点通过对混合动力汽车电动机进行精心设计，采取合适措施，并从控制角度考虑采用合理策略可以得到改进。

2.2.5　电动机控制系统

在混合动力汽车上电动机控制系统的终极目标是确保车辆的安全、节能、环保以及舒适和通信等，对混合动力汽车的动力系统、车身、底盘及车载电子、电气设备进行全方位的自动控制，因此对混合动力汽车智能化控制与智能汽车控制系统结构大致相同。车身、底盘、电子、电气设备绝大部分可以和智能汽车通用，但混合动力汽车的特点，在于动力系统和内燃机汽车动力系统有本质的区别。在混合动力汽车上采用电源-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，所以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。

电动汽车的电动机具有多种控制模式。传统的线性控制如PID无法满足高性能电动机驱动的苛刻要求。传统的变频变压（VVVF）控制技术无法使电动机满足所要求的驱动性能。异步电动机大多采用矢量控制（FOC），是较好的控制方法。近几年，很多先进的控制策略，包括自适应控制、变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等适用于电动机驱动。

自适应控制包括自调节控制（STC）和模型参考自适应控制（MRAC）。运用STC，控制器的参数能够根据系统参数的变化进行自动调整。关键是用一个识别模块来跟踪系统参数的变化，通过控制器的自调整模块更新控制器的参数，来获得理想的闭环控制性能。运用MRAC，输出模型的响应跟踪参考模型的响应，基于利用参考模型和系统输出差别的自适应算法，控制器的参数不断进行调整，从而得到理想的闭环控制性能。现在，STC和MRAC均用于电动汽车无换向电动机驱动系统中。

变结构控制（VSC）已应用到电动机驱动中，和自适应控制进行竞争。运用VSC，系统提供不敏感的参数特性，规定误差动态并且简化所执行的操作。根据开关控制理论，系统必须按照预定的轨道在相应平面内运行，而无论系统参数如何变化。

模糊逻辑（FUZZY）和神经网络等技术也被引入电动机控制领域。模糊控制是一种语言过程，它基于人类使用的先前经验及试探法则。神经网络控制（NNC），控制器具有可能解释系统的动态行为，然后自学并进行自我调整。这种控制策略可以结合其他控制策略形成新的控制模式，如自适应模糊控制、模糊NNC及模糊VSC等。不久的将来，利用人工智能（AI）的控制器不需人的干预即可进行系统诊断和错误修正。

各种大功率电子器件，如MOSFET、IGBT、COMFET、MCT和STT等的使用，还有微机处理器DSP等硬件的应用，为电动汽车的电动机控制方法和智能控制提供了重要保障。

2.2.5.1　混合动力汽车电动机的控制系统组成

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气线路共同组成了混合动力汽车动力系统和驱动力控制系统，所以混合动力汽车的关键是对动力电池组、发动机-发电机组、驱动电动机进行控制或智能控制。

混合动力汽车电动机的控制系统基本由以下四部分组成。

（1）信号输入　驾驶员踩动加速踏板的位移量以及由电动机反馈的信号与监测装置反馈的信号等是混合动力汽车的主要输入信号，该信号通常转换为电信号，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，在中央控制器中安装测量元件、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控制模块中去。

（3）执行元件　控制模块与各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，控制模块及各执行机构对被控制对象发出的控制指令，使被控制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至中央控制器，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及修改，使被控制对象的运行参数和输入信号的给定值趋向一致，并使被控制对象按新的指令（参数）运行。

2.2.5.2　变频器

（1）变频器的功能　在混合动力汽车上，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，此外三相交流电动机具有非线性输出特性，需要使用变频器中的功率半导体变换器件来实现直流电源和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，可以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与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。

①实现了对三相交流电动机的调速控制，拓宽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。

②可以实现大范围内的高效率连续调速控制。进行高频率启动与停止运转，并进行电气制动，快速控制交流电动机的正、反转的切换。

③所需要的电源容量较小，电源功率因数较大，能够用一台变频器对数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　变频器在混合动力汽车上应用非常普遍，变频器的基本功率电路有以下几种。

①交-直-交逆变器系统。在有220/380V交流电源处，通常采用交-直-交逆变器系统，基本功率电路如图2-15所示。

②交-交变频器系统。在有220/380V交流电源处，可以采用交-交变频器系统，其基本功率电路如图2-16所示。

③直-交逆变器系统。在混合动力汽车有直流动力电池组电源时，可以采用直-交逆变器系统，其基本功率电路如图2-17所示。

（3）变频器的种类　随着电气设备技术的发展，变频器和逆变器均采用现代电子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使用。变频器有多种结构模型和多种应用场合，可以用下列方法分类。

①按主要功率电路分类。

a.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2-18所示，最简单的电压型变频器由晶闸管整流器与电压型逆变器组成，用晶闸管整流器调压，电压型逆变器调频，电源电流通过整流器整流为直流电，经平滑大电容滤波，使中间直流电源近似恒压源及低阻抗，经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，适用于多电动机的驱动，但调速动态响应较慢，因为反馈能量传送到中间直流电环节并联的电容中，会引起直流电压上升，为防止换流器件被损坏，需要在功率电路安装专门的放电电路。

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电子开关所组成，每个电子开关上反并联1个续流二极管，6个电子开关每隔60°电角度触发导通1次。

b.电流型变频器。又称电流源逆变器，其主要功率电路结构模型如图2-19所示，最简单的电流型变频器由晶闸管整流器与电流型逆变器组成，用晶闸管整流器调压，电流型逆变器调频，电源电流通过整流器整流为直流电，串联在回路中的大容量电感起限流作用，使中间直流电波平滑输出，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，能够实现正、反向转动并便于反馈制动。

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成逆变电路，将负载反馈的能量回馈给电源，而且在负载短路时不难处理，更适合于混合动力汽车应用。

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电子开关所组成，但在每个电子开关上没有反并联续流二极管。

②按开关方式分类。通常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，通常分为以下几种。

a. PAM控制。PAM称为脉冲振幅调制，是指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控制时逆变电路换流器件的开关频率（载波频率）为变频器的输出频率，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。但是PAM控制必须对整流电路和逆变电路同时进行控制，控制电路比较复杂，此外在电动机低速运转时波比较大，其基本电路如图2-20所示。

b. PWM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）的幅值及频率进行控制的控制方式。在PWM控制时，比较高的频率对逆变电路的半导体开关元器件进行通断控制，通过变换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控制方式可以降低高次谐波带来的各种不良影响，转矩波动小，控制电路简单，成本也不高。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，在系统中增加一个调整变频器载波频率的系统，就能降低电动机在运转时的运转噪声。

一般采用正弦波PWM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更加平稳。电压型PWM控制基本电路如图2-21所示。

c.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，将载频的频率提高至超过人耳可以分辨的频率（10～20kHz）以上，从而降低电动机运转噪声，因为高载频PWM要求逆变电路换流器件的开关速度很快，所以只能采用IGBT和MOSFET等有较大容量的半导体元器件，但是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控制适用于低噪声型变频器。

③按工作原理分类。变频器按工作原理分类有如下几种。

a. V/f变频器。V/f（幅频比）变频器在工作时对变频器的电压幅值及频率同时进行控制，使V/f保持一定，来得到电动机所需的转矩。V/f控制方式是一种比较简单的控制方式，大多用于对精度要求不太高的通用变频器，控制电路的成本也不高。

b.转差率控制变频器。它是V/f变频器的改良，在转差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及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和所需转差率而被自动设定的，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。这种变频器的优点是，在负载发生较大变化时，仍可以保持较高的速度精度以及较好的转矩特性。

c.矢量控制变频器。其原理是将交流电动机定子电流进行矢量变换，按照矢量变换规律由三相变为两相，将静止坐标转换成旋转坐标，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以及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及相位进行控制，也就是对定子电流矢量的控制。

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但使交流电动机的调速范围能够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。矢量控制方式通常需要准确地掌握所控制的电动机的性能参数，所以需要变频器与专用电动机配套使用。新型矢量控制方式具有自调整功能，自调整矢量控制方式可以在电动机正常运转以前，自动对电动机的运转参数进行识别，并按照识别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可以应用到普通交流电动机上。

④按用途分类。

a.通用变频器。它可以对普通交流电动机进行控制。分为简易型通用变频器与高性能通用变频器两种。简易型通用变频器适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及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并对变频器的参数进行设定。图2-22所示为通用变频器的内部结构，这类通用变频器具有以下功能。

ⅰ.对电动机具有全区域自动转矩补偿功能，以免失速功能和过转矩限定了运行。

ⅱ.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，并确保带励磁释放型制动器电动机的制动器能够可靠释放。

ⅲ.减少机械振动和缓解冲击作用。

ⅳ.具有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。

b.高频变频器。在混合动力汽车上经常采用高速电动机，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3kHz，在驱动交流电动机时，最高转速可达18000r/min。

c.高性能专用变频器。高性能专用变频器均采用矢量控制方式，并与专用电动机配套使用，在调速性能以及对转矩的控制方面都超过了直流伺服系统，而且能够满足特定电动机的需要，通常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。

ⅰ.根据驾驶仪操纵装置输入的信号以及各部分传感器的反馈信号自动调节与控制电动机的转速和转矩。

ⅱ.在恒转矩范围和恒功率的大范围内对电动机的转速和转矩进行调节与控制。

ⅲ.蓄电池过电压或电压不足的限制。

ⅳ.制动能量的反馈回收。

ⅴ.自动运行并保证系统安全。

ⅵ.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　各种控制方式变频器的应用范围和基本特性对比见表2-5。

①因为采用的是电压源，所以无法在逆变电路部分对瞬时电流进行控制。