相信很多新能源車的車主或者打算購(gòu)買新能源車的用戶都聽說(shuō)過(guò)永磁同步直流電機(jī)這個(gè)名詞，因?yàn)樗谑惺鄣募冸妱?dòng)車中使用率非常高，特別是對(duì)于那些20萬(wàn)以下，續(xù)航里程400公里以下的純電動(dòng)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(jī)的車型。那么作為直流電機(jī)，它是怎樣實(shí)現(xiàn)無(wú)刷驅(qū)動(dòng)的？為什么叫同步電機(jī)？與異步電機(jī)有哪些差異？加入永磁體后性能會(huì)得到哪些提升？

■ 傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)是如何驅(qū)動(dòng)的？

其實(shí)在高中物理課本里已經(jīng)學(xué)過(guò)有刷直流電機(jī)的工作原理。我們小時(shí)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(jī)。我在上一篇專欄《交流異步電機(jī)時(shí)如何實(shí)現(xiàn)無(wú)刷驅(qū)動(dòng)的？》中也詳細(xì)介紹過(guò)這種電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，這里就不展開講了。不過(guò)，還是要提幾個(gè)要點(diǎn)。從有刷直流電機(jī)的原理中可以看到，這種電機(jī)必須要有轉(zhuǎn)向器才能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)180度，正負(fù)極就要對(duì)調(diào)一次。也就是說(shuō)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(guò)180度需要換向的方波電流（如果把電流值和時(shí)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(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的，必須經(jīng)過(guò)波形處理。

■ 永磁直流同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁直流同步電機(jī)與我們?cè)谡n本上學(xué)的有刷電機(jī)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(jì)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(guò)好在中國(guó)是世界稀土含量非常大的國(guó)家，所以大力發(fā)展電動(dòng)車不會(huì)危及到國(guó)家安全。釹磁可能對(duì)很多玩音響的朋友并不陌生，如果揚(yáng)聲器采用的是釹磁材料，那么它的磁性會(huì)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(dòng)的低音會(huì)很震撼。所以，把釹磁用在電機(jī)當(dāng)中作為永磁體同樣會(huì)極大的提升電機(jī)的功率密度，降低體積和重量。

▲永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)缺點(diǎn)

永磁直流同步電機(jī)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(lái)接通電流。要想讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)必須獲得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子已經(jīng)是永磁體，它的磁級(jí)是固定的，所以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)基本結(jié)構(gòu)

如果使用三相電流驅(qū)動(dòng)，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(jī)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(chǎng)。這個(gè)原理與課本里學(xué)過(guò)的有刷直流電機(jī)原理一樣，只不過(guò)課本里學(xué)的是用最簡(jiǎn)單的兩相電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而車用直流電機(jī)采用的是三相電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

▲三相永磁同步電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)？

傳統(tǒng)有刷電機(jī)采用的是轉(zhuǎn)向器來(lái)獲得兩相矩形波電流，我們知道轉(zhuǎn)向器是通過(guò)與電刷的接觸來(lái)改變電流相位的。對(duì)于無(wú)刷的永磁同步電機(jī)，則需要一套半控橋電路來(lái)獲得三相矩型波電流。這套系統(tǒng)是由三個(gè)功率晶體管（可以理解為電子開關(guān)）和一個(gè)轉(zhuǎn)子位置（相位）傳感器組成。每個(gè)功率晶體管連接一套繞組，轉(zhuǎn)子位置傳感器用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)120度，前一個(gè)通電的繞組在功率晶體管的控制下斷電，后一個(gè)繞組通電，這樣交替往復(fù)循環(huán)。不過(guò)在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮到運(yùn)動(dòng)慣性，會(huì)把這個(gè)角度設(shè)定為130度，這類似于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣疊加角一樣，為了讓轉(zhuǎn)子更加順暢的運(yùn)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這就是為什么把這種電機(jī)叫做同步電機(jī)的原因。因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和相位與繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)。

▲虛線框內(nèi)為半控橋電路，由V1 V2 V3三個(gè)電子開關(guān)構(gòu)成，用來(lái)獲得三相方波電流

本質(zhì)上講，雖然給電機(jī)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(fù)兩極的直流電轉(zhuǎn)換成了有三個(gè)正負(fù)級(jí)的三相直流電，并且由轉(zhuǎn)子位置傳感器控制三個(gè)繞組依次通電，從而獲得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這樣通過(guò)控制接入的電壓或電流的大小就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)的性能優(yōu)勢(shì)

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(jī)，永磁直流同步電機(jī)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(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程是會(huì)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(jī)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(chǎng)，不需要像交流異步電機(jī)那樣靠額外的感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)子不需要用電來(lái)生磁，所以能耗要低于交流異步電機(jī)。

采用了稀土作為高磁性材料后，轉(zhuǎn)子重量得到減輕，電機(jī)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(jī)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(jī)的性能不足

由于永磁體的磁性有限，不能無(wú)止盡的增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，所以最大功率要低于交流異步電機(jī)。另外，稀土材料價(jià)格很高，永磁直流同步電機(jī)成本并不便宜，如果想做到非常大的功率就要設(shè)計(jì)足夠大的永磁體，那么成本將會(huì)極大的上升。所以往往永磁同步直流電機(jī)功率都不會(huì)做得非常大，而且主要使用在講究電能使用效率的經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)車當(dāng)中。

永磁體還有一個(gè)性能缺點(diǎn)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(duì)于性能要求較高的高檔車，往往采用交流異步電機(jī)的較多。當(dāng)然也有永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)混合使用的車型，我會(huì)在后續(xù)的專欄當(dāng)中與大家分享。