對新能源做到知己知彼，永磁同步直流電機是怎樣實現無刷驅動的？

我相信很多新能源汽車的車主或計劃購買新能源車的用戶都聽說過永磁同步直流電機這個術語，因為它在市場上的純電動汽車中有著非常高的利用率，尤其是對于那些巡航里程在20萬公里以下的純電動車輛，應用非常廣泛。吉利、比亞迪和上汽榮威都有許多配備永磁同步電機的車型。那么作為一臺直流電機，它是如何實現無刷驅動的呢？為什么叫同步電動機？異步電動機有什么區別？添加永磁體后，性能將有哪些改進？■ 傳統的刷直流電機是如何驅動的？事實上，我在高中物理課本上已經學會了刷直流電機的工作原理。當我們年輕的時候，遙控模型車和四輪驅動汽車都是刷直流電機。在我的最后一篇專欄文章中，如何在交流異步電動機中實現無刷驅動？這種電機的驅動原理也已經詳細介紹過了，這里就不多說了。然而，仍有幾點需要說明。從刷直流電機的原理可以看出，這種電機必須有轉向器才能實現驅動。所謂的轉向器是指電機的正負極每隔180度就會反轉一次。也就是說，轉子每轉半圈，線圈中的電流方向就需要反轉。因此，真正流入線圈的不是純直流，而是每180度需要反轉一次的方波電流（如果電流值和時間軸被繪制為矩形方波）。由此可見，直流電不能直接驅動電機運行，必須通過波形進行處理。■ 永磁直流同步電動機的結構永磁直流異步電動機與我們在教科書中學習的有刷電動機的結構不同。它是以線圈繞組為定子，永磁體為轉子設計的。永磁體主要由釹鐵硼磁性材料制成，其中含有稀土，因此成本非常高。幸運的是，中國式是世界上稀土含量非常高的國家，因此大力發展電動汽車不會危及國家安全。釹的磁性對于許多播放音頻的朋友來說可能并不陌生。如果揚聲器是由釹磁性材料制成的，它的磁性會非常高，這意味著非常小的音量會產生很大的噪音，需要高功率才能推動的低音會非常震撼。因此，在電機中使用釹磁體作為永磁體，也將大大提高電機的功率密度，減少體積和重量。

▲ 永磁同步電動機的結構與性能優缺點永磁直流同步電動機的定子由三相繞組組成。因此，轉子未通電，而定子通電。為了使電機旋轉，需要獲得旋轉磁場。由于轉子是永磁體，其磁水平是固定的，因此旋轉磁場只能由定子繞組產生。

▲ 三相繞組永磁直流同步電機的基本結構如果采用三相電流驅動，定子中需要有三組繞組，每組繞組以120度的角度布置在電機外殼內壁上，三組繞組構成一個完整的圓形定子。因此，只要三組繞組交替通電，并且交流頻率與轉子旋轉頻率一致，就可以獲得旋轉磁場。這一原理與教科書中學習的刷直流電機相同，只是使用最簡單的兩相電流驅動電機，而車載直流電機使用三相電流驅動電機。

▲ 三相永磁同步電動機的繞組布置及方波關系■ 如何獲得三相（方波）電流來驅動轉子旋轉？傳統的刷電機使用轉向器來獲得兩相矩形波電流。我們知道，轉向器通過與電刷接觸來改變電流相位。對于無刷永磁同步電機，需要一套半控制橋式電路來獲得三相矩形波電流。這個系統由三個功率晶體管組成……

其可以被理解為電子開關）和轉子位置（相位）傳感器。每個功率晶體管連接一組繞組，轉子位置傳感器用于檢測轉子的旋轉角度。每當轉子旋轉120度時，前一個通電的繞組在功率晶體管的控制下斷電，后一個繞組通電，使其交替往復運動。然而，在實際設計中，考慮到運動的慣性，這個角度將被設置為130度，這與汽油發動機的氣體分布疊加角相似。為了使轉子運行更加平穩，繞組通電頻率與轉子旋轉（相位）頻率完全一致，并在轉子位置傳感器的控制下實現閉環控制。這就是為什么這種電機被稱為同步電機的原因。由于轉子的速度和相位在任何速度和任何情況下都與繞組的旋轉磁場一致，因此被稱為同步電機。

▲ 在虛線框中，有一個半控制橋式電路，它由三個電子開關V1、V2、V3和V3組成，以獲得三相方波電流。本質上，雖然電機連接直流電，但在半控制橋電路和轉子位置傳感器的作用下，只有正負極的直流電被轉換為具有三個正負級的三相直流電，轉子位置傳感器控制三個繞組依次通電，從而獲得旋轉磁場。通過這種方式，可以通過控制連接的電壓或電流來實現電動機的速度調節。

▲ 方波電流與轉子轉角相位的同步關系■ 永磁直流同步電機的性能優勢由于車輛的電池組輸出高壓直流，與交流異步電機相比，永磁直流異步電機畢竟不需要大功率逆變器將直流轉換為正弦波交流，這種轉換過程會造成一定程度的功率損失。因此，在這方面，永磁直流同步電動機提高了電池電力的使用效率。轉子采用永磁體結構，因此轉子本身具有自己的磁場，不需要像交流異步電動機那樣由額外的感應電流產生，也就是說，轉子不需要電來產生磁性，因此能耗低于交流異步電動機。采用稀土作為高磁性材料后，轉子重量減輕，電機功率密度提高。因此，在相同功率下，永磁直流同步電機更輕、更小，轉子的響應速度更快。■ 永磁直流同步電動機性能不足。由于永磁體的磁性有限，磁場強度不能無限增加，因此最大功率低于交流異步電動機。此外，稀土材料的價格很高，永磁直流同步電機的成本也不便宜。如果你想獲得非常高的功率，你必須設計一個足夠大的永磁體，那么成本會大幅上升。因此，永磁同步直流電機的功率往往不是很大，主要用于注重電能使用效率的經濟型電動汽車。永磁體的另一個性能缺點是在高溫下容易消磁，因此不適合工作溫度高、工作環境惡劣的車輛。對于性能要求較高的高端汽車，經常使用交流異步電動機。當然，也有永磁同步電機和交流異步電機混合使用的型號，我將在后續專欄中與大家分享。我相信很多新能源汽車的車主或計劃購買新能源車的用戶都聽說過永磁同步直流電機這個術語，因為它在市場上的純電動汽車中有著非常高的利用率，尤其是對于那些巡航里程在20萬公里以下的純電動車輛，應用非常廣泛。吉利、比亞迪和上汽榮威都有許多配備永磁同步電機的車型。那么作為一臺直流電機，它是如何實現無刷驅動的呢？為什么叫同步電動機？異步電動機有什么區別？性能將有哪些改進……

添加永磁體后？■ 傳統的刷直流電機是如何驅動的？事實上，我在高中物理課本上已經學會了刷直流電機的工作原理。當我們年輕的時候，遙控模型車和四輪驅動汽車都是刷直流電機。在我的最后一篇專欄文章中，如何在交流異步電動機中實現無刷驅動？這種電機的驅動原理也已經詳細介紹過了，這里就不多說了。然而，仍有幾點需要說明。從刷直流電機的原理可以看出，這種電機必須有轉向器才能實現驅動。所謂的轉向器是指電機的正負極每隔180度就會反轉一次。也就是說，轉子每轉半圈，線圈中的電流方向就需要反轉。因此，真正流入線圈的不是純直流，而是每180度需要反轉一次的方波電流（如果電流值和時間軸被繪制為矩形方波）。由此可見，直流電不能直接驅動電機運行，必須通過波形進行處理。■ 永磁直流同步電動機的結構永磁直流異步電動機與我們在教科書中學習的有刷電動機的結構不同。它是以線圈繞組為定子，永磁體為轉子設計的。永磁體主要由釹鐵硼磁性材料制成，其中含有稀土，因此成本非常高。幸運的是，中國式是世界上稀土含量非常高的國家，因此大力發展電動汽車不會危及國家安全。釹的磁性對于許多播放音頻的朋友來說可能并不陌生。如果揚聲器是由釹磁性材料制成的，它的磁性會非常高，這意味著非常小的音量會產生很大的噪音，需要高功率才能推動的低音會非常震撼。因此，在電機中使用釹磁體作為永磁體，也將大大提高電機的功率密度，減少體積和重量。

▲ 永磁同步電動機的結構與性能優缺點永磁直流同步電動機的定子由三相繞組組成。因此，轉子未通電，而定子通電。為了使電機旋轉，需要獲得旋轉磁場。由于轉子是永磁體，其磁水平是固定的，因此旋轉磁場只能由定子繞組產生。

▲ 三相繞組永磁直流同步電機的基本結構如果采用三相電流驅動，定子中需要有三組繞組，每組繞組以120度的角度布置在電機外殼內壁上，三組繞組構成一個完整的圓形定子。因此，只要三組繞組交替通電，并且交流頻率與轉子旋轉頻率一致，就可以獲得旋轉磁場。這一原理與教科書中學習的刷直流電機相同，只是使用最簡單的兩相電流驅動電機，而車載直流電機使用三相電流驅動電機。

▲ 三相永磁同步電動機的繞組布置及方波關系■ 如何獲得三相（方波）電流來驅動轉子旋轉？傳統的刷電機使用轉向器來獲得兩相矩形波電流。我們知道，轉向器通過與電刷接觸來改變電流相位。對于無刷永磁同步電機，需要一套半控制橋式電路來獲得三相矩形波電流。該系統由三個功率晶體管（可以理解為電子開關）和一個轉子位置（相位）傳感器組成。每個功率晶體管連接一組繞組，轉子位置傳感器用于檢測轉子的旋轉角度。每當轉子旋轉120度時，前一個通電的繞組在功率晶體管的控制下斷電，后一個繞組通電，使其交替往復運動。然而，在實際設計中，考慮到運動的慣性，這個角度將被設置為130度，這與汽油發動機的氣體分布疊加角相似。為了讓腐爛……

運行更加平穩，繞組通電頻率與轉子旋轉（相位）頻率完全一致，在轉子位置傳感器的控制下實現閉環控制。這就是為什么這種電機被稱為同步電機的原因。由于轉子的速度和相位在任何速度和任何情況下都與繞組的旋轉磁場一致，因此被稱為同步電機。

▲ 在虛線框中，有一個半控制橋式電路，它由三個電子開關V1、V2、V3和V3組成，以獲得三相方波電流。本質上，雖然電機連接直流電，但在半控制橋電路和轉子位置傳感器的作用下，只有正負極的直流電被轉換為具有三個正負級的三相直流電，轉子位置傳感器控制三個繞組依次通電，從而獲得旋轉磁場。通過這種方式，可以通過控制連接的電壓或電流來實現電動機的速度調節。

▲ 方波電流與轉子轉角相位的同步關系■ 永磁直流同步電機的性能優勢由于車輛的電池組輸出高壓直流，與交流異步電機相比，永磁直流異步電機畢竟不需要大功率逆變器將直流轉換為正弦波交流，這種轉換過程會造成一定程度的功率損失。因此，在這方面，永磁直流同步電動機提高了電池電力的使用效率。轉子采用永磁體結構，因此轉子本身具有自己的磁場，不需要像交流異步電動機那樣由額外的感應電流產生，也就是說，轉子不需要電來產生磁性，因此能耗低于交流異步電動機。采用稀土作為高磁性材料后，轉子重量減輕，電機功率密度提高。因此，在相同功率下，永磁直流同步電機更輕、更小，轉子的響應速度更快。■ 永磁直流同步電動機性能不足。由于永磁體的磁性有限，磁場強度不能無限增加，因此最大功率低于交流異步電動機。此外，稀土材料的價格很高，永磁直流同步電機的成本也不便宜。如果你想獲得非常高的功率，你必須設計一個足夠大的永磁體，那么成本會大幅上升。因此，永磁同步直流電機的功率往往不是很大，主要用于注重電能使用效率的經濟型電動汽車。永磁體的另一個性能缺點是在高溫下容易消磁，因此不適合工作溫度高、工作環境惡劣的車輛。對于性能要求較高的高端汽車，經常使用交流異步電動機。當然，也有永磁同步電機和交流異步電機混合使用的型號，我將在后續專欄中與大家分享。

標簽：比亞迪榮威

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