（一）混合动力汽车驱动电机的特点

混合动力汽车利用电动机驱动作为辅助动力，来降低燃料消耗和实现“低污染”，或在纯电动驱动模式时实现“零污染”，同时又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻混合动力汽车的总质量。因此，一般电动机只是在混合动力汽车发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。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，这些区别使得传统工业电动机不适合在混合动力汽车上使用。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）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）混合动力汽车电动机需要有4～5倍的过载转矩，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求；而工业电动机只要求有2倍的过载转矩就可以了。另外，混合动力汽车电动机的最高转速要求达到公路上巡航时基速的4～5倍，而工业电动机只要求达到恒定功率时基速的2倍。

（3）由于汽车内部空间紧张，往往要求电动机系统具有体积小、重量轻以及具有较高的功率密度和工作效率等性能要求。另外，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，从而要求它应具有更高的可靠性、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，传统工业电动机有常规标准的电源电，而混合动力电动机所使用的电能来源于电池组，且由功率转化器直接供给。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电动机成本的角度而言，一般倾向于使用较高的电压。

由此可知，混合动力汽车对自身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较低的成本等。

（二）混合动力汽车驱动电机种类

高功率密度、高效率、宽调速的车辆驱动电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采用了不同的驱动电机。最早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。目前，大多数混合动力车辆的动力输出单元均配备永磁同步交流电动机，故本章以永磁同步交流电动机为主进行阐述。

（三）永磁同步交流电动机

永磁同步交流电动机按照定子绕组感应电动势的波形不同，可以分为三相永磁同步交流电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）和无刷直流电动机（Brushless Directcurrent Motor，BLDC）。由于永磁同步交流电动机的超载运转能力强、运转时运行平稳、动态响应快，且其效率和功率因数都比其他电动机高，所以永磁同步交流电动机非常适合在负载转矩变化范围较宽的情形下运行。另外，永磁同步交流电动机与电励磁同步交流电动机运行原理虽然相同，但前者以永磁体提供的磁通代替电励磁同步电动机的励磁绕组励磁，使用永磁体励磁能够减小转子体积，省去电刷以及集电环，而且不需要励磁电流，省去了励磁损耗，有效提高了电动机的工作效率，具备很多优点。

（1）永磁同步交流电动机的基本原理。

永磁同步交流电动机的基本原理是利用定子的三相电流与转子的磁场相互耦合产生电磁转矩，使转子转动。永磁同步电动机定子绕组通人对称的三相交流电路时，永磁同步交流电动机定子将产生恒定转速的旋转磁场。在正常工作情况下，永磁同步交流电动机转子转速恒定即为同步转速。

永磁同步交流电动机定子通过三相交流电流时即会产生旋转磁场，如果旋转磁场的转速为n，其旋转频率f＝1/n，则永磁同步交流电动机转子转速n0为：

式中，Pm为永磁同步交流电动机的极对数目。当永磁同步交流电动机转子转速n0小于n时，电动机为永磁异步电动机；当永磁同步电动机转子转速n0等于n时，电动机为永磁同步电动机。

（2）永磁同步交流电动机的组成与结构。

永磁同步交流电动机的基本组成结构有转子、定子和机体三部分。一般来说，永磁同步交流电动机的最大特点是它的定子结构与普通感应电动机的结构非常相似，主要区别在于转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步交流电动机通常会被分为三大类：表面安装式、内嵌安装式以及内置安装式，如图3-13所示。(www.daowen.com)

表面安装式永磁同步交流电动机[图3-13（a）]没有凸极效应，具有较大的气隙。大的气隙削弱了电动机的电枢反应效应，因此这种电动机被限制应用在低转速区域和恒定转矩区域，内嵌安装式永磁同步交流电动机[图3-13（b）]同样具有较小和平滑的气隙；而内置安装式永磁同步交流电动机[图3-13（c）]则完全克服了上述二者的缺点：由于永磁体埋到转子的内部，因此内置安装式永磁同步交流电动机的气隙更小、更平滑。同时，基于永磁体的安装方式，电动机的交直轴磁阻不同，因此电动机除了永磁转矩外还会产生磁阻转矩。在上述三种类型的永磁同步交流电动机中，内置式永磁同步交流电动机性能最好，所以这种电动机被应用到高转速和高性能需求的场合。

图3-13　永磁同步交流电动机内部结构分类

（3）永磁同步交流电动机发电模式的工作原理。

永磁同步交流电动机的发电模式产生交流电的基本原理是电磁感应原理，具体地说是利用转子旋转产生磁场，使穿过定子绕组的磁通量发生变化，在定子绕组内产生交流感应电动势。图3-14所示为永磁同步交流电动机的发电模式的工作原理图。

图3-14　发电模式的工作原理示意图

当励磁绕组有电流通过时，便产生磁场，转子轴上的两个爪极分别为磁化为N极和S极。当转子旋转时，磁极交替地在定子铁芯中穿过，形成一个旋转的磁场，磁力线和定子绕组之间产生相对运动，在三相绕组中产生交流感应电动势。

①转子。

转子主要用来建立磁场，它由两块爪极、励磁绕组、集电环和铁芯等组成，如图3-15所示。两块爪极相互啮合压装在转子轴上，其内腔装有导磁用的铁芯，称为磁轭，其上绕有励磁绕组。励磁绕组两端引线分别焊在彼此绝缘的两个集电环上，两个集电环与装在后端盖上的两个电刷相接触。

图3-15　转子结构原理图

②定子。

定子又称作电枢，是产生交流电的部件，其主要由定子铁芯及定子三相绕组组成。定子铁芯由相互绝缘的内圆带槽环形硅钢片叠成。定子槽内置有三相对称绕组，三相绕组分别有星形接法和三角形接法两种，如图3-16所示。

在三相绕组中所产生的电动势是对称电动势，即其大小相等、电位差相互相差120°电角度。为了保证三相绕组中所产生的电动势是对称的，三相绕组在定子槽中的绕法必须满足：

A.每相绕组线圈的个数、匝数及大小必须相等，这样可以保证每相绕组所产生的电动势大小相等。

B.三相绕组的首端U、V、W在定子槽内的排列的间隙必须为120°电角度。

图3-16　定子绕组的连接方式