永磁同步電動機在混合動力汽車上的應用探析

王媛波 朱軍

【摘 要】在車用電動機中，永磁同步電動機是比較流行的，一般分為兩種類型，分別為永磁無刷電動機和永磁直流有刷電動機，永磁放置位置是兩者主要差別。本文主要從永磁同步電動機的結構和其在豐田Prius轎車中的應用兩個方面，對永磁同步電動機在混合動力汽車上的應用進行探析。對于永磁直流有刷電動機而言，不轉動的定子是其永磁的存放位置，并將線圈安置于轉子上，電流經過換向片和碳刷傳遞到轉子上。

【關鍵詞】永磁同步電動機 混合動力 汽車 豐田Prius轎車

1永磁同步電動機的結構

1.1定子

散熱機構和線圈是定子部分的主要組成，對于車載產品而言，對空間都有有一定限制，且對燃料使用效率具有較高要求，因此，當輸出功率相同時，縮小體積將成為最佳的散熱方式和獲得較高效率的方式。比如，在永磁同步電動機中，發生在定子部分的損失高達85%以上，損耗主要為鐵損和銅損，如果磁場安置合理，鐵損將大大減少。

1.2轉子

根據永磁的植入方式，轉子可以分為表面貼磁和內置磁鐵兩種，如圖1所示。對于較高的震動，內置磁鐵具有較好的承受能力，且在高速時，磁鐵不容易出現飛脫現象，因此，在車輛使用中，適用性比較高，如果對永磁同步電動機的定功率操作區間進行擴展，必須對d軸電感和q軸電感的比值進行合理設計，還必須考慮對q軸電感飽和問題的解決。在永磁電動機的使用過程中，為了確保產品的穩定性，應該考慮磁性受到外界環境的影響，磁性影響因素一般為：（1）老化：經過充磁之后，隨著時間的延長，磁鐵會出現磁力緩慢衰退現象，比如釹鐵硼（NdFeB），10年之后，導磁力將會衰減0.2%左右；（2）溫度效應：在高溫情形下，將永磁置于一段時間，磁鐵的材質組織將會發生變化，對磁鐵充磁后的特性具有嚴重的影響；（3）外在磁場：弱磁和驅動異常是最常出現的，磁鐵充磁后，將會出現不可逆的磁性退磁現象。

圖1 轉子的各種貼磁方式

1.3 轉子位置檢測機構

永磁同步電動機在工作時，為了定子電流可以進入到最佳位置，需要對轉子磁場位置的相關信息進行了解，以便形成所需磁場，這樣可以得到最大輸出效率和最佳轉矩。旋轉變壓器、霍爾感測組件及編碼器是三種最為常見的檢測機構，對于環境的變動，具有較好的適應性，在汽車中應用的較為廣泛。

2在豐田Prius轎車中永磁同步電動機的應用

在混合動力汽車中，豐田Prius轎車是最為典型的代表，在此轎車中，混合動力系統是其主要的動力中樞，兩種混合動力為電動機和汽油機，工作中的結合方式就是并聯和串聯，具有較好的低排放效果。

2.1 在豐田Prius轎車中，電動機和發電機的結構

電動機和發電機內置于轉子的方式是以釹鐵硼磁鐵的方式植入的，對于轉子的磁場位置，使用的檢測方法為旋轉變壓器。為了獲得最大化的轉矩輸出，混合動力系統在驅動技術和動力電動機進行了適當修改：（1）使用“V”型作為轉子磁鐵設置；（2）在驅動器的使用過程中，應用的切換技術為過調變；（3）使用電壓增壓電路，對負載電壓進行動態調整。在電壓調整過程中，可以通過整體效率、輸出功率及電機轉速等方式找出最佳工作點。

2.2永磁同步電動機的優點

與傳統動力裝置相比，永磁同步電動機的應用，具有較好的加速性能和動力性能，且無沖擊，加速有力。在混合動力汽車的應用中，永磁同步電動機的優點主要為：（1）提升電動機的額定功率和轉矩：當電壓上升為500V時，此時電動機的額定電流一定，最大額定輸出轉矩可以提高25倍。對于傳統動力裝置而言，最高轉速具有固定的范圍，可是永磁同步電動機對于效率較差的區域可以進行有效縮減；另一方面，對于電動機的制動能量而言，有利于效率回升；（2）動力裝置的體積可以達到最小化：動力電動機在進行轉矩區擴展時，主要是通過提升直流電壓來實現的，當輸出功率增加到50kW時，與過去相比，雖然增加了17kW，但是，動力電動機的體積并沒有太大變化，而發電機增加輸出功率的方式也是如此。（3）有利于燃油經濟性的提高：在怠速情況下，電動機將會出現自動熄火現象，有利于能量損失的降低；在制動或減速情況下，汽車的動能可以被轉化為熱量；在大部分時間下，發動機都能實現高效工作；在加速時，向電動機補充動力，有利于發電機低效率情況的解決；在發電機的轉化效率較低的情況下，電動機仍然可以驅動汽車，當發電機效率較高時，對發電機的充電具有帶動作用，有利于整體效率的提升。

2.3永磁同步電動機的控制方式：磁場正交控制

當定子線圈處于轉子磁場正交處時，定子線圈也會產生磁場，根據電動機原理可得，在此情況下，電動機的轉矩將會達到最大值，因此，只要找到轉子磁場位置后，便可確定電動機的控制重點，使用的檢測方法為將傳感組件安裝于電動機轉子位置上，對磁場位置進行檢測。此檢測方法的優點與直流電動機是一樣的。

3結語

綜上所述，本文以豐田豐田Prius轎車為例，對永磁同步電動機在混合動力汽車上的應用進行探析，可見，在混合動力汽車中，永磁同步電動機的使用具有較多優點，不僅有利于電動機額定功率和轉矩的提升，還有利于燃油經濟性的提高，因此，在混合動力汽車中，永磁同步電動機具有較高的應用價值。

參考文獻：

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[2]蘇濤，孫玉坤.混合動力汽車用交流永磁同步電動機驅動系統設計[J].微特電機，2014（6）.