第三節　電動汽車的電動機

驅動電動機的作用是將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。目前電動汽車上廣泛采用直流串勵電動機，這種電動機具有“軟”的機械特性，與汽車的行駛特性非常相符。

電動汽車電動機調速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設置的，其作用是控制電動機的電壓或電流，完成電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。

一、電動汽車電動機的運行模式

電動汽車的電動機可兼作電動和發電運行。

1.電動模式

在電動模式時電動機將電能轉換成機械能。

①逆變器從電池獲取功率，電池放電。

②電動機從逆變器獲取電功率。

③電動機輸出機械能，電動機扭矩與轉速同向，電動機推動車輛。

2.發電模式

發電模式時電動機將機械能轉換成電能。

①車輛帶動電動機，電動機力矩與轉速反向，軸上輸入機械能。

②電動機輸出電能。

③逆變器輸出直流電，電池充電。

二、電動汽車驅動電動機與工業用電動機的區別

用于電動汽車的驅動電動機與常規的工業電動機不同。電動汽車的驅動電動機通常要求頻繁的啟動/停車、加速/減速，低速行駛或爬坡時要求高轉矩，高速行駛時要求低轉矩，并要求變速范圍大；而工業電動機通常優化在額定的工作點。因此，電動汽車驅動電動機比較獨特，應單獨歸為一類，對它們在負載要求、技術性能和工作環境等方面有著特殊的要求。電動汽車驅動電動機與工業用電動機的區別如下。

①電動汽車驅動電動機需要有4～5倍的過載，以滿足短時加速或爬坡的要求；而工業電動機只要求有2倍的過載就可以了。

②電動汽車的最高轉速要求達到在公路上巡行時基本速度的4～5倍，而工業電動機只需要達到恒功率是基本速度的2倍即可。

③電動汽車驅動電動機需要根據車型和駕駛人的駕駛習慣設計，而工業電動機只需根據典型的工作模式設計。

④電動汽車驅動電動機要求有高的功率密度和好的效率圖（在較寬的轉速范圍和轉矩范圍內都有較高的效率），從而能夠降低車重，延長續駛里程；而工業電動機通常對功率密度、效率和成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行優化。

⑤電動汽車驅動電動機要求工作可控性高、穩態精度高、動態性能好；而工業電動機只有某一種特定的性能要求。

⑥電動汽車驅動電動機被裝在機動車上，空間小，工作在高溫、壞天氣及頻繁振動等惡劣環境下。而工業電動機通常在某一個固定位置工作。

三、直流電動機

要使電動汽車具有良好的使用性能，驅動電動機應具有較寬的調速范圍及較高的轉速、足夠大的啟動扭矩，還要具有體積小、質量輕、效率高、動態制動性強和能量回饋的性能。目前在電動汽車上已應用的和有應用前景的電動機有直流電動機、交流電動機、永磁無刷電動機和開關磁阻電動機。還有不少研究機構正在研究超導電動機在電動汽車上的應用。表1-3為電動汽車用電動機的性能比較。

1.直流電動機的構造

直流電動機主要由機座、電樞、主磁極、換向磁極、換向器、刷架、端蓋、風扇、出線盒組成，如圖1-89所示。其構造簡圖如圖1-90所示。其中靜止部分叫作定子；轉動部分叫作電樞或轉子。

（1）定子

定子由機座、主磁極、勵磁繞組、端蓋和電刷裝置組成。

①機座。機座用來固定主磁極電刷架和端蓋等部件，起支撐、保護作用，與主磁極鐵芯、磁軛、電樞鐵芯一起構成電動機的磁路，磁通通過整個磁路的情形如圖1-91中的虛線所示。它是用鑄鐵、鑄鋼或鋼板制成的。

②主磁極。主磁極的作用是產生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵芯和勵磁繞組兩部分組成。鐵芯一般用0.5～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極掌兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極掌，極掌寬于極身，既可以調整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵芯上。整個主磁極用螺釘固定在機座上，如圖1-92所示。

③電刷裝置。電刷裝置用來引入或引出直流電壓和直流電流，它由刷握、電刷、壓緊彈簧和銅絲辮等組成，如圖1-93所示。電刷放在刷握內，用彈簧壓緊，以使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸。電刷盒固定在刷桿上，刷桿裝在圓環形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。常常把若干個電刷盒裝在同一個絕緣的刷桿上。在電路連接上，把同一個絕緣刷桿上的電刷盒并聯起來，稱為一組電刷。一般的直流電動機中，電刷組的數目可以用電刷桿數表示，電刷桿數與電動機的主磁極數相等。

各電刷桿在換向器外表面上沿圓周方向均勻分布，正常運行時，電刷桿相對于換向器表面有一個正確的位置，如果電刷桿的位置放得不合理，將直接影響電動機的性能。刷桿座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位置可以調整，調好以后加以固定，如圖1-94所示。

（2）轉子

直流電動機的轉子（電樞）主要由電樞鐵芯和電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等組成，其結構如圖1-95所示。

①電樞鐵芯。電樞鐵芯的作用有兩個：一個是作為主磁路的主要部分；另一個是嵌放電樞繞組。由于電樞鐵芯和主磁場之間的相對運動會在鐵芯中引起渦流損耗和磁滯損耗（這兩部分損耗合在一起稱為鐵芯損耗，簡稱“鐵耗”），為了減少鐵耗，電樞鐵芯通常用0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片的沖片疊壓而成，并固定在轉軸上。電樞鐵芯沿圓周有均勻分布的槽，里面可嵌入電樞繞組，如圖1-96所示。

②電樞繞組。電樞繞組由許多按一定規律排列和連接的線圈組成，它是直流電動機的主要電路部分，是通過電流和感應產生電動勢以實現機電能量轉換的關鍵性部件。

線圈用包有絕緣的圓形和矩形截面導線繞制而成，亦被稱為“元件”，每個元件有兩個出線端。電樞線圈嵌放在電樞鐵芯的槽中，每個元件的兩個出線端以一定規律與換向器的換向片相連，構成電樞繞組。

③換向器。換向器也是直流電動機的重要部件。在直流電動機中，它將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流。換向器安裝在轉軸上，與轉軸過盈配合，主要由許多換向片組成，片與片之間用云母絕緣，換向片數與元件數相等，如圖1-97所示。

2.直流電動機的運行原理

直流電動機是利用通電導體在磁場中受力這一基本原理制成的。

直流電動機的物理模型如圖1-98所示，圖中N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體稱為電動機的轉子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片上。轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的。

電刷A、B接上直流電源，于是在線圈abcd中有電流流過，電流的方向如圖1-98所示。根據電磁力定律可知，載流導體ab、cd上受到的電磁力F為

Fdc=BIl

式中，B為導體所在處的氣隙磁密度，Wb/m2；l為導體ab或cd的長度m；I為導體中的電流，A。

導體受力的方向用左手定則確定，導體ab的受力方向是從右向左，導體cd的受力方向是從左向右（見圖1-98）。這一對電磁力形成了作用于電樞的一個力矩，這個力矩在旋轉電動機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針，企圖使電樞按逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其他負載轉矩），電樞就能按逆時針方向旋轉起來。當電樞轉了180°后，導體cd轉到N極下，導體ab轉到S極下時，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷A流入，經導體cd、ab后，從電刷B流出。這時導體cd的受力方向變為從右向左，導體ab的受力方向變為從左向右，產生的電磁轉矩的方向仍為逆時針方向。因此，電樞一經轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由導體ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時，總是從電刷B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，從而形成一種方向不變的轉矩，使電動機能連續地旋轉。

3.直流電動機的分類

直流電動機按勵磁方式的不同可分為他勵直流電動機、并勵直流電動機、串勵直流電動機和復勵直流電動機等。汽車上常用的有并勵直流電動機和串勵直流電動機。

（1）并勵直流電動機

這種電動機的勵磁繞組同電樞并聯，如圖1-99所示，其勵磁繞組稱為并勵繞組。由于并勵繞組承受著電樞兩端的全部電壓，其值較高，為了減小它的銅損失，并勵繞組必須具有較大的電阻以減小勵磁電流。因此，并勵繞組的匝數較多，用較細的導線繞成。

（2）串勵直流電動機

這種電動機的勵磁繞組同電樞繞組串聯，如圖1-100所示，其勵磁繞組稱為串勵繞組。為了減小其電壓降及銅損失，串勵繞組應具有較小的電阻。因此，它總是用截面積較大的導線繞成，而匝數較少。

4.直流電動機的啟動、調速和反轉

（1）直流電動機的啟動

將靜止不動的電動機的電路與電源接通，使電動機的轉動部分旋轉起來，最后達到正常運轉，稱為電動機的啟動。如果不用任何啟動設備而是將電動機直接往電源上連接，這種啟動方法稱為直接啟動，其啟動電流很大。因為當電動機剛與電源接通時，由于電樞還沒有旋轉，所以反電動勢等于零，此時通過電樞的電流（即啟動電流）應為

式中　Iq——啟動電流，A；

U——啟動電壓，V；

Ef——反電動勢，V；

Rs——電樞內阻，Ω。

由于電樞內電阻很小，外加電壓又是額定值，因此電動機在直接啟動時的電樞電流將比額定電流大十幾倍，甚至幾百倍。這樣大的電流會使換向器上產生強烈的火花，可能把換向器燒壞。因此，啟動時必須在電樞電路中串聯一個啟動變阻器來減小啟動電流，如圖1-101所示。為了獲得較大的啟動轉矩而又不至于使換向器受到損傷，通常把啟動電流限制為電樞額定電流的1.5～2.5倍。

在啟動過程中，隨著電動機轉速的增加，電樞電流逐漸減少，啟動電阻也應逐步減小。待電動機轉速達到額定值時，啟動電阻應減小到零。

此外，在啟動時，還應把勵磁電路中的磁場變阻器R放在電阻最小的位置，以使磁通最大，這樣，就可使電動機產生足夠大的啟動轉矩，并使反電動勢增加較快，以縮短啟動過程。

（2）直流電動機的調速

由并勵直流電動機的轉速公式可知，電動機的轉速有三種調節方法：

①改變供電線路的電壓U。這種方法的調速范圍很廣泛，但必須有專用的直流電源。采用發電機-電動機組以及可控硅整流電路都能得到可調節的電壓。

②改變電樞線路的電壓降。在電樞電路中串聯一調速變阻器Rq可降低加在電樞上的電壓，如圖1-102所示。如把Rq增大，則電阻電壓降增大，轉速下降。這種方法因電樞電流較大，使得調速變阻器本身要消耗大量的功率，因而不經濟。

③改變磁極磁通。在勵磁電路中串接一磁場變阻器可調節電動機轉速，如圖1-103所示。如把磁場變阻器的阻值增加，則勵磁電流減小，磁通也隨之而減小，電動機的轉速便升高。通常勵磁電路中的電流很小，在調速過程中磁場變阻器的能量損失也較小，比較經濟，因而這種調速方法在電力調節中應用甚廣。

如果串勵電動機也采用改變磁通的方法來調節轉速，則磁場變阻器必須與串勵繞組并聯，如圖1-104所示。當把磁場變阻器的阻值減小時，通過變阻器的電流增大，而通過串勵繞組的電流減小，其所產生的磁通也隨著減小，轉速升高。

（3）直流電動機的反轉

電動機的旋轉方向是由電樞繞組的導體在磁場中的受力方向決定的。改變電樞電流的方向或者改變磁場電流的方向，便可使直流電動機反轉。具體方法是：將連接于電源上的電樞兩端反接，或者將勵磁繞組兩端反接。如圖1-105所示，如果同時改變兩電流的方向，則旋轉方向仍舊不變。

四、三相異步電動機

1.三相異步電動機的結構

三相異步電動機的種類雖然很多，但各類三相異步電動機的基本結構是相同的，它們都由定子和轉子這兩大基本部分組成，在定子和轉子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、風扇、風扇罩、接線盒、吊環等其他附件，如圖1-106所示。

（1）外殼

外殼是三相異步電動機機械結構的重要組成部分，它由端蓋、軸承、接線盒和吊環等組成。通常，外殼的外表都鑄有散熱片，以擴大散熱面積，有利于電動機散熱，從而降低絕緣等級和制造成本。軸承蓋是由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成形的，它的作用是不讓轉子有過大的軸向移動，另外，它還起存儲潤滑脂和保護軸承的作用，防止微塵或臟物進入軸承加速軸承的磨損，從而延長電動機的使用壽命。接線盒一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護和固定繞組的引出線端。吊環一般是用鑄鋼制造，安裝在機座的上端，用來起吊、搬抬三相異步電動機。

（2）定子

定子是用來產生旋轉磁場的，三相交流異步感應電動機的定子由定子鐵芯、定子繞組等部分組成。

①定子鐵芯。交流異步感應電動機的定子鐵芯是電動機磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚的表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，如圖1-107所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵芯渦流損耗。鐵芯內圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞組。

②定子繞組。定子繞組是三相異步電動機的電路部分，三相異步電動機有三相繞組，通入三相對稱交流電流時，就會產生旋轉磁場。

三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干個線圈連接而成。每個繞組稱為一相，三個繞組在空間互相間隔120°。線圈由絕緣銅導線或絕緣鋁導線繞制。中小型三相異步電動機多采用圓漆包線，大中型三相異步電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規律嵌入定子鐵芯線槽內。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標為U1、V1、W1，末端分別標為U2、V2、W2。這六個出線端在接線盒里的排列如圖1-108所示，可以接成星形（Y形）或三角形。

（3）轉子

異步電動機的轉子分為繞線形與籠形兩種，對應的電動機分別稱為繞線異步感應電動機與籠形異步感應電動機。

①繞線異步感應電動機轉子。繞線異步感應電動機轉子是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉軸上，作用和定子鐵芯相同，一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉子繞組。繞線異步感應電動機與定子繞組一樣，也是有一個三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉軸上的三個與轉軸絕緣的集電環上，通過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉子電路中串接電阻以改善電動機的運行性能，如圖1-109所示。

②籠形異步感應電動機轉子。在轉子鐵芯的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環（稱為端環）把導條連接起來，稱為銅排轉子，如圖1-110（a）所示；也可用澆鑄的方法，把轉子導條和端環風扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉子，如圖1-110（b）所示。100kW以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉子。

（4）其他部分

其他部分包括軸承、風扇等。風扇是用來通風冷卻電動機的。三相異步電動機的定子與轉子之間的空氣隙一般僅為0.2～1.5mm。氣隙不能太大，氣隙大時產生的氣隙轉矩小，會使電動機運行時的功率因數降低；也不能太小，氣隙太小時會引起裝配困難，如果內有異物或轉軸有徑向竄動時容易卡堵，運行不可靠，高次諧波磁場增強，引起附加損耗以及啟動性能變差。

2.三相異步電動機的工作原理

圖1-111給出了一對磁極（P=1）交流電動機在三相交流電的作用下，定子上形成的旋轉磁場。設將定子三相繞組連成星形接法，三相繞組的首端U1、V1、W1分別與三相交流電的相線A、B、C相連接。為了討論方便，選定交流電在正半周時電流從繞組的首端流入，從末端流出；反之，在負半周時，電流流向相反。定子繞組在三相交流電不同相位時合成旋轉磁場。當ωt=0°時，A相電流為零；B相電流為負值，電流由V2端流進，由V1端流出；C相電流為正，電流由W1端流進，由W2端流出。根據右手螺旋法則，可以判定出此時定子三相繞組電流產生的合成磁場方向。當ωt=90°時，此時A相電流為正，電流由U1端流入，由U2端流出；B相為負，電流由V2端流進，由V1端流出；C相為負，電流由W2端流入，由W1端流出，這一時刻合成磁場已沿順時針方向在空間轉過了90°。同理，可分別得出ωt=180°、ωt=270°和ωt=360°時定子三相繞組電流產生的合成磁場方向，其中ωt=360°時與ωt=0°時的合成磁場方向相同。

由此可見，電流變化一個周期，合成磁場在空間也旋轉了一周。電流繼續變化，磁場也不斷地旋轉。從上述分析可知，三相電流通過定子繞組所產生的合成磁場是隨電流的交變而在空間旋轉的磁場。這種旋轉磁場與蹄形磁鐵在空間旋轉所起的作用是相同的。

在交流異步電動機中，定子繞組流過依次相差120°相位角的三相交流電時，將產生旋轉磁場。該旋轉磁場在轉子繞組中產生感應電動勢，因為繞組是閉合回路，所以將產生感應電流，有電流的繞組導體在旋轉磁場中產生電磁力，對轉軸形成電磁轉矩帶動轉軸轉動。

五、永磁無刷直流電動機

高密度、高效率、寬調速的車輛牽引電動機及其控制系統既是電動汽車的心臟又是電動汽車研制的關鍵技術之一。20世紀80年代以前，幾乎所有的車輛牽引電動機均為直流電動機，這是因為直流牽引電動機具有起步加速牽引力大、控制系統較簡單等優點。直流電動機的缺點是有機械換向器，當在高速、大負載下運行時，換向器表面會產生火花，所以電動機的運轉速度不能太高。由于直流電動機的換向器需保養，又不適合高速運轉，除小型車外，目前一般已不采用。

永磁電動機與原有的直流牽引電動機系統相比具有明顯優勢，其突出優點是體積小、質量輕（其比質量為0.5～1.0kg/kW）、效率高、基本免維護、調速范圍廣、功率密度高、轉子轉動慣量小、電樞電感小、運行效率高以及轉軸上無滑環和電刷等，在電動汽車上得到了廣泛應用。

永磁電動機就是采用永磁材料來替代傳統電動機的勵磁繞組（或轉子繞組）的電動機。永磁電動機分為永磁交流同步電動機和永磁直流電動機兩種。

如果將直流電動機的直流勵磁繞組用永久磁鐵代替，該電動機就稱為永磁直流電動機。為了克服磁通量不變的缺點，又在其永磁定子中嵌入了激勵磁場的電磁繞組，稱為永磁復合式電動機，它的特點是既有永磁體又有勵磁繞組。

對于交流異步電動機，若采用永磁體取代其鼠籠式感應轉子，則相應的異步電動機就稱為永磁同步電動機。為了克服磁通量不變的缺點，又在其轉子中嵌入了異步電動機的鼠籠式電磁繞組，稱為永磁復合式電動機，它的特點是既有永磁體又有鼠籠式繞組。

永磁直流電動機分永磁有刷直流電動機和永磁無刷直流電動機。永磁有刷直流電動機廣泛應用于小型電器之中。由于電刷和換向器的存在，永磁有刷直流電動機在維修、制造等方面都比永磁無刷直流電動機復雜；在應用中的換向火花、機械噪聲等也使它難以在惡劣的環境下使用。而永磁無刷直流電動機由于沒有電刷，彌補了永磁直流電動機和傳統直流電動機的缺陷。因此永磁無刷直流電動機越來越多地被應用在伺服系統、數控機床、變頻空調以及電動汽車中。

1.永磁無刷直流電動機的結構

永磁無刷直流電動機主要由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關驅動電路三部分組成。三相對稱電樞繞組安放在定子上，轉子上的電樞繞組用稀土永磁材料（釤鈷、釹鐵硼）取代。對于高速永磁無刷直流電動機，還需要加裝非磁性護環，其結構如圖1-112所示。

（1）永磁無刷電動機定子

永磁無刷電動機定子繞組的主要電氣參數、繞組形式與繞線式三相同步電動機的定子繞組一樣，通入交流電源即產生旋轉磁場，如圖1-113所示。

（2）永磁無刷電動機轉子

永磁無刷電動機轉子采用徑向永久磁鐵作磁極，如圖1-114所示。在旋轉磁場的作用下，轉子將跟隨旋轉磁場同步旋轉，旋轉磁場的速度取決于電源頻率。與三相交流電動機的同步電動機類似，永磁無刷電動機可以產生理想的恒轉矩。

根據永磁體在轉子上安裝位置的不同，永磁無刷電動機可分為表面式、內置式和鑲嵌式等幾種結構形式，如圖1-115所示。表面式電動機的優點是結構簡單，由于永磁體的磁導率接近空氣的磁導率，所以永磁電動機有較大的有效氣隙，電樞反應降低。內置式電動機有較高的磁顯性，可產生額外的磁阻轉矩分量，保持高速運行時的機械穩定性。鑲嵌式電動機的永磁體可以有多種鑲嵌方式，其性能介于表面式電動機和內置式電動機之間。

（3）轉子位置傳感器

如圖1-116所示，轉子位置傳感器在無刷直流電動機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，即將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號，然后去控制定子繞組換相。

轉子位置傳感器的種類較多，且各具特點。在無刷直流電動機中常見的位置傳感器有電磁式位置傳感器、接近開關式位置傳感器、光電式位置傳感器和磁敏式位置傳感器。

電磁式位置傳感器在無刷直流電動機中用得較多的是開口變壓器，它由定子和跟蹤轉子兩部分組成。定子一般有六個極，它們之間的間隔均為60°，其中三個極上繞一次繞組，并相互串聯后通以高頻電源；另外三個極分別繞上二次繞組WA、WB、WC，它們之間分別相隔120°。跟蹤轉子是一個用非導磁材料做成的圓柱體，它上面鑲了一塊120°的扇形導磁材料。在安裝時將它與電動機轉軸相連，其位置對應于某一磁極。一次繞組所產生的高頻磁通通過跟蹤轉子上的導磁材料耦合到二次繞組上，故在二次繞組上產生感應電壓，而另外兩相二次繞組由于無耦合回路同一次繞組相連，其感應電壓基本為零。隨著電動機轉子的轉動，扇形片也跟著旋轉，使之離開當前耦合的一次繞組而向下一個一次繞組靠近。這樣，隨著電動機轉子的運動，在開口變壓器二次繞組上分別感應出電壓。扇形導磁片的角度一般略大于120°電角度，常采用130°電角度。在三相全控電路中，為了換相譯碼器的需要，扇形導磁片的角度為180°電角度。同時，扇形導磁片的個數應同無刷直流電動機的極對數相等。

接近開關式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉子兩部分組成。當扇形金屬轉子接近振蕩回路電感L時，電路的Q值（諧振電路的品質因數）下降，導致電路正反饋不足而停振，故輸出為零；當扇形金屬轉子離開電感元件L時，電路的Q值開始上升，電路又重新起振，輸出高頻調制信號，經二極管檢波后，取出有用控制信號，去控制邏輯開關電路，以保證電動機正確換向。

光電式位置傳感器是利用光電效應制成的，由跟隨電動機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。

磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數按一定規律隨周圍磁場變化的半導體敏感元件。其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。常見的磁敏式傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。

霍爾元件產生的電動勢很低，直接應用很不方便，實際應用時采用霍爾集成電路。霍爾元件輸出電壓的極性隨磁場方向的變化而變化，無刷直流電動機的位置傳感器選用開關型霍爾集成電路。

磁阻效應是指元件的電阻值隨磁感應強度而變化。根據磁阻效應制成的傳感器叫磁阻電阻。

（4）電子開關驅動電路

如圖1-116所示，永磁無刷直流電動機的定子繞組是由電子開關驅動電路中的“外部換向器”（逆變器）接到直流電源上的，可以把它歸為直流電動機的一種。從逆變器的角度來看，永磁無刷直流電動機電樞繞組中的電流變化是靠電子開關驅動電路來完成的，其頻率與轉速變化一致，所以它又屬于永磁同步電動機的一種。它和正弦永磁同步電動機的主要區別在于：無刷直流電動機電樞繞組中流過的電流以方波形式變化，故又稱為“方波交流永磁電動機”。因此其工作原理與永磁同步電動機相同。

電子開關驅動電路主要由高性能半導體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等組成全橋或半橋開關驅動電路。

2.永磁無刷電動機的轉動原理

由圖1-113（a）可知，當定子的A、B、C相按時序分別通一電流時，定子A、B、C相的磁場就會按一定方向旋轉，因此永久磁鐵就可旋轉。常見的永磁無刷電動機的定子為三相對稱繞組［見圖1-113（b）］，與三相異步電動機的結構相同。轉子上有稀土永磁鐵。驅動器為交-直-交電壓型逆變器，通過正弦波脈寬調制（PWM），輸出頻率為f、電壓可變的三相正弦波電壓。三相正弦波電壓在定子三相繞組中產生對稱三相正弦波電流，并在氣隙中產生旋轉磁場。旋轉磁場的轉速n1=2πf/p（p為磁極對數），這個旋轉磁場與永磁體轉子作用帶動轉子與旋轉磁場同步旋轉，并力圖使定、轉子磁場軸線對齊。當外加負載轉矩以后，轉子磁場軸線落后定子磁場軸線一個功率角θ，功率角θ與負載成正比，負載越大功率角就越大，直到功率角大到足以使轉子停止不轉動為止。由此看出，永磁無刷電動機在運行時，其轉速必須與頻率嚴格成比例旋轉，否則就會失步停轉。所以，永磁無刷電動機的轉速與旋轉磁場同步，其靜態誤差為零。在負載擾動下，只是功率角在變化，而轉速不變，響應時間是實時的，這是永磁無刷電動機的運行特點。但當功率角處于某一特定值時，電動機會因失步而停轉。因此，該電動機不適合在重負載情況下使用，也不易快速啟動。

3.永磁無刷直流電動機的驅動過程

如圖1-116所示，三相兩極無刷直流電動機的三相定子A、B、C繞組分別與電子開關驅動電路中相應的功率管V1、V2、V3相連接。位置傳感器的跟蹤轉子與電動機轉軸相連接。

當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各相繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而其起到了機械換向器的換向作用。

無刷直流電動機半控橋電路的原理如圖1-117所示。此圖采用光電器件作為位置傳感器，以三只功率晶體管V1、V2和V3構成功率邏輯單元。三只光電器件VP1、VP2和VP3的安裝位置各相差120°，均勻分布在電動機一端。借助安裝在電動機軸上的旋轉遮光板的作用，使從光源射來的光線依次照射在各個光電器件上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉子磁極的位置。

當轉子位于圖1-118（a）所示的位置時，此時光電器件VP1被光照射，從而使功率晶體管V1呈導通狀態，電流流入繞組A—A'，該繞組電流同轉子磁極作用后所產生的轉矩使轉子的磁極按圖1-118（a）中箭頭方向轉動。當轉子磁極轉到圖1-118（b）所示的位置時，直接裝在轉子軸上的旋轉遮光板亦跟著同步轉動，并遮住VP1而使VP2受光照射，從而使晶體管V1截止、晶體管V2導通，繞組A—A’斷開，電流流入繞組B—B'，使得轉子磁極繼續朝箭頭方向轉動。當轉子磁極轉到圖1-118（c）所示的位置時，此時旋轉遮光板已經遮住VP2，使VP3被光照射，導致晶體管V2截止、晶體管V3導通，因而電流流入繞組C—C'，于是驅動轉子磁極繼續朝順時針方向旋轉并回到圖1-118（a）的位置。

這樣，隨著位置傳感器轉子扇形片的轉動，定子繞組在位置傳感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次饋電，實現了各相繞組電流的換相。在換相過程中，定子各相繞組在工作氣隙內所形成的旋轉磁場是跳躍式的。這種旋轉磁場在360°電角度范圍內有三種磁狀態，每種磁狀態持續120°電角度。各相繞組電流與電動機轉子磁場的相互關系見圖1-118。圖1-118（a）為第一種狀態，Fa為繞組A—A’通電后所產生的磁動勢。顯然，繞組電流與轉子磁場的相互作用使轉子沿順時針方向旋轉；轉過120°電角度后，便進入第二種狀態，這時繞組A—A’斷電，而B—B’隨之通電，即定子繞組所產生的磁場轉過了120°，如圖1-118（b）所示，電動機定子繼續沿順時針方向旋轉；再轉120°電角度，便進入第三種狀態，這時繞組B—B’斷電、C—C’通電，定子繞組所產生的磁場又轉過了120°電角度，如圖1-118（c）所示；轉子沿順時針方向再轉過120°電角度后就恢復到初始狀態。三相兩極無刷直流電動機各相繞組導通順序的示意圖如圖1-119所示。

六、開關磁阻電動機

開關磁阻電動機（SRM）是一種典型的機電一體化電動機，又稱“開關磁阻電動機驅動系統（SRD）”，這種電動機主要由開關磁阻電動機本體、電力電子功率變流器、轉子位置傳感器以及控制器四部分組成，如圖1-120所示。

開關磁阻電動機具有結構簡單、轉子轉動慣量小、成本低、動態響應快等優點。其容量可設計成幾瓦到幾兆瓦。系統的調速范圍也較寬，可以在低速下運行，也可以在高速場合下運行（最高轉速可達15000r/min）。除此之外，開關磁阻電動機在運行效率、可靠性等方面均優于感應電動機和同步電動機，可以在散熱條件差、存在化學污染的環境下運行。

1.開關磁阻電動機的結構

（1）開關磁阻電動機本體的結構

開關磁阻電動機本體采用定、轉子雙凸極結構，單邊勵磁，即僅定子凸極采用集中繞組勵磁，而轉子凸極上既無繞組也無永磁體；定、轉子均由硅鋼片疊壓而成；定子繞組徑向相對的極串聯，構成一相。其結構原理如圖1-121所示。

開關磁阻電動機的定子與轉子結構如圖1-122所示。開關磁阻電動機的定子與轉子相數不同，有多種組合方式，最常見的有三相6/4極結構、三相6/8極結構和三相12/8極結構，如圖1-123所示。

三相6/4極結構說明電動機定子有6個凸極，轉子有4個凸極，在定子相對稱的兩個凸極上的集中繞組互相串聯，構成一相，相數=定子凸極數/2。轉子上沒有繞組，定子上有6個凸極的稱為3相開關磁阻電動機，定子上有8個凸極的稱為4相開關磁阻電動機。相數越多，步進角越小，運轉越平穩，越有利于減小轉矩波動，但控制越復雜，導致主開關器件增多和成本增加。步進角的計算方法為：步進角α=360°×2/（定子極數×轉子極數），如四相8/6極電動機，其步進角α=360°×2/（8×6）=15°。低于三相的開關磁阻電動機一般沒有自啟動能力。目前應用較多的是三相、四相和五相結構。

圖1-124（a）、（b）、（c）分別為三相6/4凸極結構、三相12/8凸極（雙繞組）結構和四相8/6凸極結構的開關磁阻電動機的定子和轉子結構的剖面示意圖。

（2）轉子位置傳感器

轉子位置傳感器有霍爾式、電磁式、光電式和磁敏式多種，常設在電動機的非輸出端，如圖1-125所示。

光電式位置檢測器由齒盤和光電傳感器組成。齒盤截面和轉子截面相同，裝在轉子上，光電傳感器裝在定子上。當磁盤隨轉子轉動時，光電傳感器檢測到轉子齒的位置信號。

轉子位置的檢測原理如圖1-126所示。其中圖1-126（a）是一個四相8/6極電動機的位置檢測器，它只設置SP和SQ兩個傳感器，它們空間相差15°，磁盤上有間隔30°的六個磁槽，檢測到的基本信號如圖1-126（b）所示。

位置傳感器的引入增加了開關磁阻電動機結構的復雜性，影響了其可靠性，因此人們正致力于研究無傳感器方案，通過檢測相電感來獲取轉子位置信息，這已被公認是非常有意義的研究方向。

2.開關磁阻電動機的電力電子功率變流器的主電路

開關磁阻電動機的電力電子功率變流器為開關磁阻電動機的運行提供電能，在整個開關磁阻電動機系統的成本中，功率變換器占有很大的比重，合理選擇和設計功率變換器是提高開關磁阻電動機性能價格比的關鍵之一。功率變換器主電路形式的選取對開關磁阻電動機的設計也直接產生影響，應根據具體性能、使用場所等方面綜合考慮，給出最佳組合方案。開關磁阻電動機常用的功率變換器主電路有許多種，應用最普遍的有三種，如圖1-127所示。

圖1-127（a）所示的主電路為單電源供電方式，每相有兩個主開關器件，工作原理簡單。導通模式有三種：兩個主開關同時導通，繞組獲得正向電源，電流增加；一個主開關器件導通；兩個主開關同時關斷。這種主電路中主開關承受的額定電源電壓為Ud。它可用于任何相數、任何功率等級的情況下，在高電壓、大功率場合下有明顯的優勢。

圖1-127（b）所示的主電路特點是每相必須有兩個繞組，其中一個繞組與開關管串聯，另一個通過續流二極管串聯，兩個繞組完全耦合（通常采用雙股并繞）。工作時，電源通過開關管向繞組供電，開關管關斷后，磁場儲能通過續流二極管向電源回饋。開關管承受的最大工作電壓為2Ud。

圖1-127（c）所示的主電路為裂相式電路，以對稱電源供電。每相只有一個主開關，上橋臂從上電源吸收能量，并將剩余的能量回饋到下電源，或從下電源吸取能量，將剩余的能量回饋到上電源。因此，為保證上、下橋臂電壓的平衡，這種主電路只能使用于偶數相電動機。主開關正常工作時的最大反向電壓為Ud。每相繞組導通時繞組兩端的電壓僅為Ud/2。

3.開關磁阻電動機的轉動原理

由圖1-121可知，當A相繞組電流控制開關K1、K2閉合時，A相通電勵磁，所產生的磁場力圖使轉子旋轉到轉子極軸線aa與定子極軸線AA的重合位置，從而產生磁阻性質的電磁轉矩。若順序給A、B、C、D相繞組通電，則轉子便按逆時針方向連續轉動起來；若依次給B、A、D、C相繞組通電，則轉子會沿順時針方向轉動。在多相電動機的實際運行中，也常出現兩相或兩相以上繞組同時導通的情況。當某一相中的定子繞組輪流通電一次時，轉子轉過一個轉子極距。

4.永磁式開關磁阻電動機

為了克服開關磁阻電動機的固有弱點，除提高控制裝置及控制軟件的設計水平外，在電動機本身結構上也要進行改進。在上述開關磁阻電動機定子軛部對稱地嵌入高性能的釹鐵硼永磁體，永磁體磁場與各相繞組的磁場共同組成新型電動機磁場，形成永磁式開關磁阻電動機（PMSRM）。其基本結構、磁通和反電動勢如圖1-128所示。

永磁式開關磁阻電動機也稱為“雙凸極永磁電動機”，可采用圓柱形徑向磁場結構、盤式軸向磁場結構和環形橫向磁場結構。該電動機在磁阻轉矩的基礎上疊加了永磁轉矩，永磁轉矩的存在有助于提高電動機的功率密度和減小轉矩脈動，以利于它在電動車輛驅動系統中的應用。它可以加速繞組換流速度，減小波動，提高能量利用率。

永磁式開關磁阻電動機的工作原理是：永磁體產生的磁通在凸極相對齊時最大，在一凸極對一極槽時最小，而定子繞組所產生的磁通與原先的一樣，兩種磁通疊加之后共同作用于轉子，驅使電動機轉子轉動。如果在給定子繞組單獨通電時不考慮永磁體的磁場作用，將給繞組磁通回路帶來較大的磁阻，減小定子繞組電感，這也給電動機相間快速換流提供了有利條件。所以改進后的永磁式開關磁阻電動機體積變小，效率更高，穩定性更好。當前，雙凸極永磁電動機是研究的熱門，其被做成外轉子型輪轂驅動方式。

七、輪轂電動機

電動汽車采用的輪轂式電動機驅動屬于分散式電動機驅動模式。分散電動機驅動通常有輪轂電動機和輪邊電動機兩種方式。所謂輪邊電動機驅動模式，是指每個驅動車輪由單獨的電動機驅動，但是電動機不是集成在車輪內，而是通過傳動裝置（例如傳動軸）連接到車輪。輪邊電動機驅動模式的驅動電動機屬于簧載質量范圍，懸架系統隔振性能好。但是，安裝在車身上電動機對整車總布置的影響很大，尤其是在后軸驅動的情況下。而且，由于車身和車輪之間存在變形運動，其對傳動軸的萬向傳動也具有一定的限制。

1.輪轂電動機的結構形式

輪轂電動機動力系統通常由電動機、減速機構、制動器與散熱系統等組成。圖1-129所示為電動摩托車的輪轂電動機結構。輪轂電動機動力系統根據電動機的轉子形式主要分成內轉子型和外轉子型兩種結構，如圖1-130所示。通常，外轉子型采用低速外轉子電動機，電動機的最高轉速為1000～1500r/min，無任何減速裝置，電動機的外轉子與車輪的輪輞固定或者集成在一起，車輪的轉速與電動機相同。內轉子型則采用高速內轉子電動機，同時裝備固定傳動比的減速器。為了獲得較高的功率密度，電動機的轉速通常高達10000r/min。減速機構通常采用傳動比在10:1左右的行星齒輪減速裝置，車輪的轉速在1000r/min左右。

高速內轉子輪轂電動機的優點是比功率高、質量輕、體積小、效率高、噪聲小、成本低；缺點是必須采用減速裝置，效率降低，非簧載質量增大，電動機的最高轉速受線圈損耗、摩擦損耗以及變速機構的承受能力等因素的限制。低速外轉子輪轂電動機的優點是結構簡單、軸向尺寸小、比功率高、能在很寬的速度范圍內控制轉矩、響應速度快、外轉子直接和車輪相連、沒有減速機構、效率高；缺點是如要獲得較大的轉矩，必須增大電動機體積和質量，因而成本高，加速時效率低，噪聲大。這兩種結構在目前的電動車中都有應用，但是隨著緊湊的行星齒輪變速機構的出現，高速內轉子式驅動系統在功率密度方面比低速外轉子式更具競爭力。

輪轂電動機動力系統由于電動機電制動容量較小，不能滿足整車制動效能的要求，通常需要附加機械制動系統。輪轂電動機系統中的制動器可以根據結構采用鼓式或者盤式制動器。電動機電制動容量的存在往往可以使制動器的設計容量適當減小。大多數的輪轂電動機系統采用風冷方式進行冷卻，也有的采用水冷和油冷的方式對電動機、制動器等的發熱部件進行散熱降溫，但結構比較復雜。

2.輪轂電動機的分類及特點

（1）輪轂電動機的分類

輪轂電動機根據工作原理可分為永磁式、感應式、開關磁阻式。

輪轂電動機系統的驅動電動機按照電動機磁場的類型分為徑向磁場和軸向磁場兩種類型。

①軸向磁場電動機的結構利于熱量散發，并且它的定子可以不需要鐵芯。

②徑向磁場電動機的定轉子之間受力比較均衡，磁路由硅鋼片疊壓得到，技術更簡單成熟。

（2）輪轂電動機的特點

①感應（異步）式電動機的優點是結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠、轉矩脈動小、噪聲低、不需要位置傳感器、轉速極限高；缺點是驅動電路復雜、成本高，相對于永磁電動機而言，異步電動機效率和功率密度偏低。

②無刷永磁同步電動機可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍，發展前景十分廣闊，已在國內外多種電動車輛中獲得應用。

③開關磁阻式電動機的優點是結構簡單、制造成本低廉、轉速/轉矩特性好等，適用于電動汽車驅動；缺點是設計和控制非常困難、運行噪聲大。

法國TM4公司設計制造的一體化輪轂電動機結構如圖1-131所示。它采用外轉子式永磁電動機，電動機轉子外殼直接與輪輞相固結，是車輪輪輞的組成部分，而且電動機轉子與鼓式制動器的制動鼓集成在一起，實現電動機轉子、輪輞以及制動器三個回轉運動物體的集成，大大減輕了一體化輪轂電動機系統質量，集成化程度相當高。該一體化輪轂電動機系統的永磁無刷直流電動機的額定功率為18.5kW，峰值功率可達到80kW，峰值扭矩為670N·m，額定轉速為950r/min，最高轉速為1385r/min，而且額定工況下的平均效率可達到96.3％。

3.采用輪轂電動機驅動系統的電動汽車特點

（1）分散式電動機驅動模式的優點

①以電子差速控制技術實現轉彎時內外車輪不同的轉速運動，而且精度更高。

②取消機械差速裝置有利于動力系統減輕質量，提高傳動效率，降低傳動噪聲。

③有利于整車總布置的優化和整車動力學性能的匹配優化。

④降低對電動機的性能指標要求，且具有可靠性高的特點。

（2）分散式電動機驅動模式的缺點

①為滿足各輪運動協調，對多個電動機的同步協調控制要求高。

②對電動機的分散安裝提出了結構布置、熱管理、電磁兼容以及振動控制等多方面的技術難題。

（3）輪轂電動機驅動模式的優點

①可以完全省略傳動裝置，整體動力利用效率大大提高。

②輪轂電動機使得整車總布置可以采用扁平化的底盤結構形式，車內空間和布置自由度得到極大的改善。

③車身上幾乎沒有大功率的運動部件，整車的振動、噪聲和舒適性得到極大改善。

④便于實現四輪驅動形式，有利于極大改善整車的動力性能。

⑤輪轂電動機作為執行元件，利用響應速度快和準確的優點便于實現包括線控驅動、線控制動以及線控整車動力學控制在內的整車動力學集成控制，提高整車的主動安全性。

八、電動汽車電動機調速控制系統

電動機調速控制裝置是為電動車變速和變換方向而設置的，其作用是控制電動機的電壓或電流，完成電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。直流電動機的調速方法一是調節電樞電壓，二是調節勵磁電流，而常見的直流電動機，其磁場都是固定的，擁有不可調的永磁體，所以只好調節電樞電壓。調節電樞電壓的方法常用的是晶閘管調壓法，其次是脈寬調制法（PWM）。PWM只能實現大功率調速，國內的超大功率調速還要依靠晶閘管實現可控整流來實現直流電動機的調壓調速。另外，還有弱磁調速，通過適當減弱勵磁磁場的辦法進行調速。

早期的電動車直流電動機的調速采用串接電阻或改變電動機磁場線圈的匝數來實現。因其調速是有級的，且會產生附加的能量消耗并使電動機的結構復雜，現在已很少采用。目前電動車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過均勻地改變電動機的端電壓，控制電動機的電流，來實現電動機的無級調速。在電子電力技術的不斷發展中，它也將逐漸被其他電力晶體管斬波調速裝置所取代。從技術的發展來看，伴隨著新型驅動電動機的應用，電動車的調速控制轉變為直流逆變技術的應用，將成為必然的趨勢。

1.串勵直流電動機調速控制系統

直流電動機具有控制技術簡單成熟，轉矩、轉速特性較為符合理想牽引特性要求等特點，并且由于串勵直流電動機具有較大的啟動轉矩和過載能力，可以滿足電動車快速啟動、加速、爬坡、頻繁啟停等要求，所以目前電動車選用串勵直流電動機作為驅動源。

在串勵直流電動機機械負載不變的條件下，人為調節電動機轉速的操作叫調速。有刷有齒串勵直流電動機的轉速對電樞電流的變化關系，可根據直流電動機的電勢平衡方程式求得。影響有刷有齒直流電動機轉速的三個因素是：電源電壓、串接在電樞回路中的電阻、電動機氣隙主磁通。只要改變以上三個因素中的任何一個，都能達到調節有刷有齒直流電動機轉速的目的。

目前，電動車用控制器，不管有刷、無刷，普遍采用PWM調速方式。控制器的調速原理一般都是將直流電轉換成寬度可調的脈沖，改變脈沖寬度即改變了電壓的平均值，使直流電動機平穩地無級調速。

（1）串勵電動機與速度控制器連接

串勵直流電動機有4個接線柱，2個是定子繞組出線接線柱，2個是轉子繞組出線接線柱，分別是A1、A2、D1和D2，這四個接線柱中勵磁繞組的兩個接線柱離連接負載的輸出軸端比較近，另外兩個就是電樞的接線柱。觀察電動機接線柱旁邊的標簽，勵磁繞組的標簽是D1、D2，電樞引出線的接線柱是A1、A2。

如果把電刷與換向器之間用絕緣的體隔開，電樞繞組的接線柱之間是斷開的，測量電阻值無窮大，而勵磁繞組的接線柱一直是導通的狀態。

速度控制器有4根引出線和3根轉把（或加速踏板）插接線，其中一紅一黑是電源正負線，一根與電動機轉子連接的是從控制器輸出的電源線，一根與正、反轉開關連接的是與控制器輸出負極成回路的。電動機的正、反轉由改變定子繞組的電流方向控制，所以定子繞組的兩根線應與正、反轉開關轉動片的2個接線柱連接。

用萬用表蜂鳴器擋測量正、反轉開關上的4根線，2根相通的是電動機定子繞組線，測量有10kΩ阻值的是與速度控制器和電動機轉子的連接線，定子繞組的2根線應和正、反轉開關的2個轉動片接線柱相連。

串勵電動機與速度控制器及正、反轉開關的連接如圖1-132所示。

（2）串勵有刷電動機用控制器的工作原理

串勵有刷電動機用控制器工作原理框圖如圖1-133所示。

速度控制器的工作過程如下：首先，蓄電池經內部穩壓電路得到一個穩定電壓，此電壓給PWM芯片供電，PWM芯片供電后開始工作，當用戶轉動轉把（或踩踏加速踏板）時，PWM芯片得到轉把（或踩踏加速踏板）的信號電壓后，產生的脈沖信號經MOS管驅動電路放大，驅動MOS管工作，MOS管驅動有刷電動機旋轉。限流保護電路用于保護電動機繞組，欠壓保護電路用于保護蓄電池。

2.交流異步電動機調速控制系統

交流異步電動機常見的調速方法有3種：一是變級調速，二是變頻調速，三是變轉差率調速。

采用變級調速，電動機轉向的改變只需變換磁場三相電流的相序即可，可使控制電路簡化。但是，交流異步電動機采用變級調速屬于有級的調速方式，調速的機械特性不如直流電動機。

采用變頻調速控制技術，可使電動車的制動能量回收控制更加方便，控制電路更加簡單。

自20世紀80年代以來，在電氣傳動領域中用交流電動機調速取代直流電動機調速一直是不可逆轉的趨勢。目前，交流調速已成為滿足各種生產工藝要求和節約電能的重要措施。在多種交流調速方法中，變頻調速的應用發展最快，盡管變頻器的生產成本稍高，但其調速性能和裝置效率始終處于各種調速方法之首，因此，現在變頻調速的應用已成為交流電動機調速的主流。

變轉差率調速方法有定子調壓調速、轉子串電阻調速和串級調速等，由于結構復雜，目前應用較少。

3.開關磁阻電動機調速控制系統

開關磁阻電動機調速控制系統（SRD）是當今世界最新、性能價格比最高的調速系統。它是一種基于改變供電電源頻率的調速方式，即交流變頻調速。開關磁阻電動機調速控制系統已經實現智能化和模塊化，不僅調速性能優越，而且各種保護功能也很完善，現已大量使用。這項技術調速范圍寬廣，機械特性良好，啟動、制動性能卓越，并且具有節能、易維護等優點。

說明：SRD系統是開關磁阻電動機和電力電子技術相結合而產生的一種機電一體化裝置，主要由開關磁阻電動機、功率變換器、單片機、電流及位置檢測器等五大部分組成。開關磁阻調速電動機的調速功能是由開關磁阻電動機轉子位置檢測器、功率變換器和控制器（即單片機）共同配合實現的。

功率變換器是開關磁阻電動機運行時所需能量的提供者，是連接電源和電動機繞組的開關部件，它將電源能量饋入電動機，也可將電動機內的磁場儲能反饋回電源，其功率變換電路所用的開關部件為快速絕緣柵雙極型晶體管。

單片機為SRD系統的控制核心，只需通過修改軟件便能滿足戶多種性能要求。

隨著科技能力的不斷進步，以及半導體集成控制技術水平的提高，SRD系統必將得到廣泛應用。

4.無刷直流電動機調速控制系統

（1）無刷直流電動機調速控制原理

無刷直流電動機（BLDCM）是一種新型的機電一體化產品，它既具備異步電動機結構簡單、運行可靠和維護方便的特點，又具有直流電動機調速性能好的優點，因此在電動車輛上已被廣泛使用。

目前，國外已成功開發有無刷直流電動車控制系統專用集成電路，使無刷直流電動機的控制電路更加簡單。這種控制電路具有集成度高、電路簡單、抗干擾能力強等特點。

無刷直流電動機控制系統的工作原理框圖如圖1-134所示。

無刷直流電動機的工作過程如下：

蓄電池電壓經內部穩壓電源后作為提供控制器內部電子元器件的工作電壓向主處理芯片PWM提供電壓，PWM根據無刷電動機的霍爾信號對3路MOS管驅動電路給出有選擇性的打開與關閉信號，以完成對電動機的換相。同時，PWM根據轉把（或加速踏板）的輸入電壓大小，將相應脈沖寬度的方波信號，與3路MOS管導通信號混合，以達到控制電動機速度的目的。

MOS管是大電流開關元件，其導通與關閉時間受導通信號與PWM信號合成的混合信號控制。

欠壓保護電路在蓄電池電壓降低到控制器設定值以下時，停止PWM芯片信號輸出，以防蓄電池因過放電而損壞。

限流保護電路是對控制器輸出的最大電流進行限制，以保護控制器、電動機等不會出現允許范圍以上的大電流。

（2）無刷直流電動機與控制器連接

無刷直流電動機與控制器連接如圖1-135所示。

九、電動機控制器（MCU）

較好的汽車電動機控制器通過把微電子器件和功率器件集成到同一芯片上，便成了功率集成電路（PIC），俗稱“智能功率（IPM）”，其目的是進一步減小體積，降低成本并改善其可靠性。PIC可以包含功率模塊、控制、保護、信息傳遞和制冷等。豐田的混合動力汽車中便采用了功率集成電路。

PIC合成存在的主要問題是高電壓和低電壓器件的絕緣以及冷卻問題。不過，在今后的發展中，這種技術是最有希望用于電動汽車驅動系統的，關鍵在于對器件的集成和包裝。

目前國內電動汽車電動機控制器多采用分立元件制作，功率集成電路形式的汽車電動機控制器多掌握在國外的企業中，不過隨著中國電動汽車市場的逐漸成熟，國內企業不久會掌握這項技術。

如圖1-136所示，汽車電動機控制器由DSP電動機控制板、IGBT驅動電路板、IGBT（IPM）模塊、控制電源、散熱系統組成。

DSP電動機控制板的功能是：接受整車控制器的指令并反饋信息；檢測電動機系統內傳感器信息；根據指令及傳感器信息產生逆變器開關信號。

IGBT驅動電路板用于接收DSP的開關信號并反饋相關信息；放大開關信號并驅動IGBT；提供電壓隔離和保護功能。

控制電源為DSP提供電源；為驅動電路提供多路相互隔離的電源。

散熱系統為電力電子模塊散熱；為控制器組件安裝提供支撐；為控制器提供環境保護。