研制开发电动汽车的关键主要有两个方面：一是生产高能量密度的电池；二是开发性能优良的驱动系统。在各类驱动电机中，永磁同步电机的能量密度高、效率高、体积小、惯性小、响应快，有很好的应用前景。

1.永磁电机的分类

永磁电机有多种分类方法，根据输入电机接线端的电流种类可分为永磁直流电机和永磁交流电机。由于永磁交流电机没有电刷、换向器或集电环，因此也可称为永磁无刷电机。根据输入电机接线端的交流波形，永磁无刷电机可分为永磁同步电机和永磁无刷直流电机。输入永磁同步电机的是交流正弦或者近似正弦波，采用连续转子位置反馈信号来控制换向；而输入永磁无刷直流电机的是交流方波，采用离散转子位置反馈信号来控制转向。已有的永磁电机可分为永磁直流电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机和永磁混合式电机4类。其中，后三种没有传统直流电机的电刷和换向器，故统称为永磁无刷电机。在电动汽车中，永磁同步电机应用广泛，下面进行做重点介绍。

2.永磁同步电机的机构特点及性能特点

三相永磁同步电机具有三相分布的定子绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证反电动势波形为正弦波。为了进行磁场定向控制，输入到定子的电压和电流也为正弦波。根据永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电机可分为永磁体内置式电机（SPM）和永磁体外置式电机（IPM）。

内置式永磁同步电机转子由于内部嵌入永磁体，导致转子机械结构上的凸极特性。内置式永磁同步电机按永磁体磁化方向可分为径向式、切向式和混合式。外置式永磁同步电机根据永磁体是否嵌入转子铁心中，可以分为面贴式和插入式两种，如图6-9所示。

图6-9 外置式永磁同步电机转子结构示意图

面贴式永磁同步电机的转子永磁体一般为瓦片形，通过合成粘胶粘于转子铁心表面。功率稍大的面贴式永磁同步电机中，永磁体与气隙之间可以通过无纬玻璃丝带加以捆绑保护，防止永磁体因转子高速转动而脱落。插入式永磁同步电机的永磁体嵌入到转子铁心中，两永磁体之间的铁心成为铁磁介质突出的部分。在面贴式永磁电机中，由于永磁体的相对磁导率接近真空磁导率（μ=1.0），等效气隙基本均匀，所以交、直轴电感基本相等，是一种隐极式同步电机。插入式永磁同步电机的交轴（q轴）方向上的气隙比直轴（d轴）的小，交轴的电感也比直轴大，是一种凸极式永磁同步电机。相对而言，由于永磁体的存在使得面贴式永磁同步电机定子和转子之间的有效气隙较大，因而定子的电感较小。

外置式永磁同步电机的结构比内置式电机简单，且具有制造容易、成本低廉的优点，因而工业上应用较多。其中，面贴式永磁同步电机转子结构最为简单，与插入式相比，它提高了转子表面的平均磁密，可以得到更大的电磁转矩。现阶段，工业上应用最多的是面贴式永磁同步电机。

永磁同步电机的功率因数高、效率高、功率密度大，是一种比较理想的驱动电机。但由于电磁结构中转子励磁不能随便改变，导致电机弱磁困难，调速性能不如直流电机。目前，永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善，还有许多问题需要进一步研究，主要有以下两个方面。

（1）电机效率

永磁同步电机低速效率很低，如何通过设计降低低速损耗，减小低速额定电流是目前研究的热点之一。

（2）电机的弱磁能力

由于永磁同步电机的转子是永磁体励磁，随着转速升高，电机电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速只有靠调节定子电流的大小和相位，增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速。电机弱磁能力的大小主要与直轴电抗和反电动势大小有关，但永磁体串联在直轴磁路中，所以直轴磁路一般磁阻较大，弱磁能力较小，电机反电动势较大时，也会降低电机的最高转速。

对一般电机，可以用调节励磁电流来控制。但永磁电机磁场的磁通量调节却比较困难，因此需要采用磁场控制技术来实现。这使得永磁电机的控制系统变得更复杂，而且增加了成本。

永磁无刷同步电机功率密度高，调速性能好，在宽转速范围内运行效率高（90%～95%），是理想的电动汽车驱动电机之一。它的主要缺点是电机造价较高，永磁材料会有退磁效应，抗腐蚀性差，而且永磁材料磁场不可变，要想增大电机的功率其体积会很大。随着稀土永磁材料的开发和应用，永磁无刷电机的性能有了很大的提高，是最有发展前景的驱动电机之一。

3.永磁同步电机驱动控制系统(www.daowen.com)

永磁同步电机驱动控制系统包括永磁同步电机及其逆变器组成。永磁同步电机是一种交流同步电机，其转子用永磁体产生永久励磁磁场，定子绕组接通交流电源产生电枢磁场，依靠电磁相互作用气隙中产生一个由转子带动而与转子同转速的合成旋转磁场，使定子绕组感生电动势产生电磁转矩，以实现能量转换。永磁同步电机根据定子电流波形的不同可分为矩形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机，而矩形波永磁同步电机又称为永磁无刷直流电机（Permanent Brushless DC Motors，PMBLDC）；根据转子磁路结构可分为表面式（surface types）和内置式（inset types），表面式永磁同步电机的d轴绕组电感L_d和q轴绕组电感L_q几乎相等，而内置式永磁同步电机的L_d和L_q相差很大，其中切向式 ，而径向式 。

高性能的永磁同步电机驱动系统通常采用矢量控制算法，把同步旋转磁场坐标系d轴放在转子磁链上，在转子参考坐标系下，d、q轴上的电压方程可表示为

磁链方程为

电磁转矩为

式中，u_d、u_q为d、q轴绕组电压；i_d、i_q为d、q轴绕组电流；L_d、L_q为d、q轴绕组电感；R_s为定子相电阻；ω_r为转子电角速度；ψ_f为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链；p_n为电机极对数；p为微分算子。

无刷直流电机的气隙感应强度沿气隙梯形波分布，三相定子绕组切割磁场产生的反电动势是梯形波，相位互差120°电角度。定子三相绕组电压方程可以表示为

电磁转矩方程为

T_e=（e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c）/Ω_n （6-7）

式中，u_a、u_b、u_c为定子三相电压；i_a、i_b、i_c为定子三相电流；e_a、e_b、e_c分别是定子三相绕组反电动势；R_s为定子相电阻；L为定子电感；M为定子互感；Ω_n为电机转速。

变频调速是永磁同步电机的基本调速方式，原理与感应电机变频调速基本相同。在理想情况下，永磁无刷直流电机的气隙磁通是矩形波，定子感应电动势也是矩形波，三相合成产生恒定的电磁转矩，没有转矩纹波，而实际工作时由于磁饱和等因素产生脉动的梯形波电磁转矩。永磁无刷直流电机转子位置传感器和逆变器构成自控式永磁无刷直流电机，通过转子位置传感器提供的信号控制变压变频装置的逆变器换流，从而达到改变定子绕组的供电频率。目前最常用的是导通型脉宽调制斩波控制IGBT逆变器，能够较好地改善转矩控制，增加电流调节控制精度，减小转矩脉动。无刷直流电机矢量控制目前应用较多，它与感应电机矢量控制技术基本相同，但要考虑正弦波永磁同步电机转子永久励磁的特点。

4.永磁无刷直流电机的工作特性及控制技术

永磁无刷直流电机是在直流电机的转子上装置永久磁铁，不再用电刷和换向器向转子输入励磁电流。工作时，直接将方波电流输入无刷直流电机定子中，控制其运转。永磁无刷直流电机起动转矩大、过载能力强、体积小、效率高、控制方便，非常适合电动汽车的运行特性，其效率明显高于欧盟标准（CEMED）。

永磁无刷直流电机不采用机械式换向器和电刷，而是由固态逆变器和轴位置检测器组成电子换向器。位置传感器用来检测转子在运动过程中的位置，并将位置信号转换为电信号，保证各向绕组的正确换流。永磁无刷直流电机常采用电流斩波控制，控制系统由桥式转换器、PWM控制电路、电机转轴位置检测器和方波永磁直流电机等几部分组成。