相信很多新能源車的車主或者打算購買新能源車的用戶都聽說過永磁同步直流電機這個名詞，因為它在市售的純電動車中使用率非常高，特別是對于那些20萬以下，續(xù)航里程400公里以下的純電動車型，應(yīng)用非常廣泛。吉利，比亞迪，上汽榮威都有很多采用永磁同步電機的車型。那么作為直流電機，它是怎樣實現(xiàn)無刷驅(qū)動的？為什么叫同步電機？與異步電機有哪些差異？加入永磁體后性能會得到哪些提升？
■ 傳統(tǒng)有刷直流電機是如何驅(qū)動的？
其實在高中物理課本里已經(jīng)學(xué)過有刷直流電機的工作原理。我們小時候玩的遙控模型車和拼裝四驅(qū)車用的都是有刷直流電機。我在上一篇專欄《交流異步電機時如何實現(xiàn)無刷驅(qū)動的？》中也詳細介紹過這種電機的驅(qū)動原理，這里就不展開講了。不過，還是要提幾個要點。從有刷直流電機的原理中可以看到，這種電機必須要有轉(zhuǎn)向器才能實現(xiàn)驅(qū)動。因為電機的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過180度，正負極就要對調(diào)一次。也就是說轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)半圈需要讓線圈里的電流方向反轉(zhuǎn)。所以，真正流入線圈的并不是純的直流電，而是每轉(zhuǎn)過180度需要換向的方波電流（如果把電流值和時間軸畫成波形為矩形方波）。由此可見直流電是不可能直接驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的，必須經(jīng)過波形處理。
■ 永磁直流同步電機的結(jié)構(gòu)
永磁直流同步電機與我們在課本上學(xué)的有刷電機結(jié)構(gòu)不同，它是把線圈繞組作為定子，永磁體作為轉(zhuǎn)子設(shè)計的。永磁體主要采用釹鐵硼磁材料制成，由于含有稀土，所以成本非常高。不過好在中國是世界稀土含量非常大的國家，所以大力發(fā)展電動車不會危及到國家安全。釹磁可能對很多玩音響的朋友并不陌生，如果揚聲器采用的是釹磁材料，那么它的磁性會非常高，這就意味著很小的體積就能發(fā)出很大的聲響，并且需要高功率才能推動的低音會很震撼。所以，把釹磁用在電機當(dāng)中作為永磁體同樣會極大的提升電機的功率密度，降低體積和重量。
▲永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)缺點
永磁直流同步電機的定子則是由三相繞組構(gòu)成。所以，轉(zhuǎn)子不通電，由定子來接通電流。要想讓電機轉(zhuǎn)動必須獲得旋轉(zhuǎn)磁場。由于轉(zhuǎn)子已經(jīng)是永磁體，它的磁級是固定的，所以旋轉(zhuǎn)磁場只能由定子繞組產(chǎn)生。
▲使用三相繞組的永磁直流同步電機基本結(jié)構(gòu)
如果使用三相電流驅(qū)動，那么需要在定子中有三套繞組，每套繞組布置在120度的電機殼體內(nèi)壁上，三套繞組構(gòu)成了完整的圓型定子。所以只要讓這三套繞組交替通電，并且交替頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率保持一致，就能獲得旋轉(zhuǎn)磁場。這個原理與課本里學(xué)過的有刷直流電機原理一樣，只不過課本里學(xué)的是用最簡單的兩相電流來驅(qū)動電機，而車用直流電機采用的是三相電流來驅(qū)動電機。
▲三相永磁同步電機的繞組布置和方波關(guān)系
■ 怎樣獲得三相（方波）電流從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)？
傳統(tǒng)有刷電機采用的是轉(zhuǎn)向器來獲得兩相矩形波電流，我們知道轉(zhuǎn)向器是通過與電刷的接觸來改變電流相位的。對于無刷的永磁同步電機，則需要一套半控橋電路來獲得三相矩型波電流。這套系統(tǒng)是由三個功率晶體管（可以理解為電子開關(guān)）和一個轉(zhuǎn)子位置（相位）傳感器組成。每個功率晶體管連接一套繞組，轉(zhuǎn)子位置傳感器用來檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過120度，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，這樣交替往復(fù)循環(huán)。不過在實際設(shè)計中考慮到運動慣性，會把這個角度設(shè)定為130度，這類似于汽油發(fā)動機的配氣疊加角一樣，為了讓轉(zhuǎn)子更加順暢的運行，繞組通電頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（相位）頻率完全一致，在轉(zhuǎn)子位置傳感器的控制下，實現(xiàn)閉環(huán)控制。這就是為什么把這種電機叫做同步電機的原因。因為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和相位與繞組旋轉(zhuǎn)磁場在任何轉(zhuǎn)速、任何情況下始終保持一致，所以叫做同步電機。
▲虛線框內(nèi)為半控橋電路，由V1 V2 V3三個電子開關(guān)構(gòu)成，用來獲得三相方波電流
本質(zhì)上講，雖然給電機接入的是直流電，但是在半控橋電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器的作用下，把只有正負兩極的直流電轉(zhuǎn)換成了有三個正負級的三相直流電，并且由轉(zhuǎn)子位置傳感器控制三個繞組依次通電，從而獲得旋轉(zhuǎn)磁場。這樣通過控制接入的電壓或電流的大小就可以實現(xiàn)電機的調(diào)速。
▲方波電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角相位的同步關(guān)系
■ 永磁直流同步電機的性能優(yōu)勢
由于車用的電池包輸出的是高電壓的直流電，所以相比交流異步電機，永磁直流同步電機不需要大功率的逆變器把直流電轉(zhuǎn)換成正弦波的交流電——畢竟這個轉(zhuǎn)換過程是會造成一定程度的電能損失的。所以在這方面，永磁直流同步電機就提高了電池電量的使用效率。
轉(zhuǎn)子采用永磁體結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)子本身自帶磁場，不需要像交流異步電機那樣靠額外的感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場，也就是說轉(zhuǎn)子不需要用電來生磁，所以能耗要低于交流異步電機。
采用了稀土作為高磁性材料后，轉(zhuǎn)子重量得到減輕，電機的功率密度得到提升。所以同樣功率情況下，永磁直流同步電機重量更輕體積更小，并且轉(zhuǎn)子的響應(yīng)速度更快。
■ 永磁直流同步電機的性能不足
由于永磁體的磁性有限，不能無止盡的增加磁場強度，所以最大功率要低于交流異步電機。另外，稀土材料價格很高，永磁直流同步電機成本并不便宜，如果想做到非常大的功率就要設(shè)計足夠大的永磁體，那么成本將會極大的上升。所以往往永磁同步直流電機功率都不會做得非常大，而且主要使用在講究電能使用效率的經(jīng)濟型電動車當(dāng)中。
永磁體還有一個性能缺點就是高溫容易退磁，所以不適合使用在工作溫度高、工作環(huán)境惡劣的車型上。對于性能要求較高的高檔車，往往采用交流異步電機的較多。當(dāng)然也有永磁同步電機和交流異步電機混合使用的車型，我會在后續(xù)的專欄當(dāng)中與大家分享。
