电动车电机及其控制系统的研究现状和发展前景
永磁同步电机结构形式多样，根据永磁体在转子上位置的不同，可以分成表面式、内置式和爪极式三种‘”。
３．２．１．１内置式永磁同步电机
内置式永磁电机（ＩＰＭ）的永磁体在转子铁心内部固定，各个磁极独立存在，因此受到的离心力小，结构牢固。这种结构的电机运行时不但有电流产生的同步转矩，还有较大的磁阻转矩。磁阻转矩的存在不仅有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于实现弱磁调速，扩大电机的恒功率运行范围，所以调速范围大，特别适合于商用电动轿车使用。较有代表性的是日本丰田公司“ＰＲＩＵＳ”混合动力电动车用内置式永磁同步电动机，其电机结构如图５所示，它是在该公司１９９６年批量生产的电动车电机ＲＡＶ４一ＥＶ基础上于２００１年发展起来的，并已经开始投放欧美市场０１；为进一步提高电机的功率密度，日本的ＭＡＴＳＵＳＨＩＴＡ电气公司专门设计了集中绕组、分段定子的ＩＰＭ电机，如图６所示，其功率密度可达２．５ｋＷ／ｋｇ”１。
（Ｉ）铁心彻绕组（ｃ）组台件
图５图６
内置式永磁同步电动机结构灵活，设计自由度大，文献［７］和［８］给出了多种内置式永磁同步电动机的结构形式。
３．２．１．２表面式永磁同步电机（ＳＰＭ）
表面式永磁同步电机的转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种，表
面插入式结构可以充分利用｝争子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高
电动机的功率密度，动态特性较凸出式有所改善，并且固定工艺简单，也被
广泛采用。日本本田公司（ＨＯＮＤＡ）于１９９７年开始批量生产的电动车ＥＶ
ＰＬＵＳ就装备了表面插入式永磁同步电动机ＭＣＦｌｌ，２０００年又在ＭＣＦｌｌ基
础上开发了第二代ＳＰＭ电机ＧＥＮＩＩ，如图７所示。在比较了ＳＰＭ和ＩＰＭ以
后，他们认为在产生同样转矩的条件下，采用这种结构的ＳＰＭ，磁钢用量比图７
ＩＰＭ减少４０％左右，同时没有磁短路情况发生的可能性。ＧＥＮＩＩ各项性能指标远远超过ＭＣＦｌ１，如表３所示…Ｊ，ＧＥＮＨ已经开始装备于ＥＶＰＬＵＳ。
表３ＧＥＮＩＩ与ＭＣＦｌｌ的性能比较
ＭＣＦＩｌ（ＥＶＰＬＵｓ）ＧＥＮＩＩ电动机
最大功率４９ｋＷ６０ｋＷ
最大转长２７５Ｎ?ｍ２３８Ｎ?１７／
ｊ最高转速８７５０ｒ／ｒａｉｎ１１０００ｒ／ｍｉｎ
ＵＤＤＳ平均效率９０％９３％
功率密度１．０ｋＷ／ｋｓ１．８ｋＷ／ｋｇ
转矩密度６Ｎ?ｍ／ｋｓ７Ｎ?ｍ／ｋｇ
３．２．１．３爪极永磁同步电动机
爪极式转子磁路结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形的永磁体组成，左右法兰盘的爪数相同且相互错开，沿圆周均匀分布，永磁体轴向充磁，从而左右法兰盘的爪极分别形成极性相异、
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在所有已有的电动机中，直流电动机最早应用于电动车的驱动。直流电机转矩、转速控制简单，但由于机械电刷和换向器的存在，直流电动机存在一系列不可克服的缺点，如换向时产生电磁干扰、可靠性差、寿命短、维修困难等，而无刷直流电动机恰恰克服了直流电动机的这些缺点，它既有直流电机优越的调速性能，又依靠电子换向，免去了机械式电刷和换向器，提高了系统的可靠性。无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）具有起动转矩大、过载能力强、体积小、效率高、寿命长、免维修、控制方便等特点，非常适合于电动车的运行特性，已经成为电动车的主要电气驱动机种之一。目前轻型电动车如电动自行车、电动三轮车、电动轮椅、电动滑板车和电动摩托车等也大多采用ＢＬＤＣＭ驱动。３．３．１无刷直流电机的组成和结构
无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）由电机本体、位置传感器、功率变换器和控制器组成。电机本体采用永磁转子，只不过其转子磁钢经过专门的磁路设计，使电机可以获得梯形波的气隙磁场，以期获得最大的电磁转矩；定子采用多相绕组，通常为集中整距绕组，感应梯形波的电势；由逆变器和转子位置检测器组成电子换向器取代直流电机的机械式换向器和电刷，位置传感器用来检测转子在运动过程中的位置，并将位置信号转换为电信号，形成转子位置闭环控制系统，保证各相绕组换流与转子位置的严格同步，因此ＢＬＤＣＭ也称作自控式永磁同步电动机。ＢＬＤＣＭ电机本体右多种结构形式：３．３．１．１径向磁通无刷直流电机
径向磁通无刷直流电机（ＲＦＢＬＤＣＭ）是永磁电机最常用的结构形式，顾
名思义ＲＦＢＬＤＣＭ的磁极是沿径向放置的，这种结构形式的ＢＬＤＣＭ非常适
合于做成外转子电机，因此目前电动白行车、电动摩托车等轻型电动车辆一
般均采用轮式外转子ＲＦＢＬＤＣＭ直接驱动，图１０为法国研制的用于轻型四
轮电动车四轮直接驱动的１．５ｋＷ轮式ＢＬＤＣＭ的外形图和电机截面图。…
图１２
径向磁通ＢＬＤＣＭ还适合做出多相结构，图１１为
香港大学国际电动车研究中心与上海大学自动化学院
合作研制的五相ＢＬＤＣＭ电机系统结构图…。３．３．１．２轴向磁通无刷直流电机（ＡＦＢＬＤＣＭ）
与径向磁通无刷直流电机相反，轴向磁通无刷直流电机（ＡＦＢＬＤＣＭ）的磁极是沿电机轴向放置的，绕组呈环状沿径向放置，因为绕组是环形的，因此加工简单，同时ＡＦＢＬＤＣＭ的轴向尺寸可以缩短，做成盘状，因此也可用于电动车的轮式直接驱动，图１２为香港理工大学研制的３相１６极轴向磁通无刷直流电机示意图。
３．３．１．３混合励磁无刷直流电机（ＨＦＢＬＤＣＭ）
混合励磁无刷直流电机就是既有永磁体又有励磁绕组的结构形式，一般永磁体放在与电机轴垂直的平面上，励磁绕组呈环形径向放置，与前面的爪极永磁同步电动机相似，因此可以通过励磁
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场，通过定子元件的一个齿部由转子到达它的另一个齿部，从而
形成闭合磁回路。
３．５．２Ｒｏｌｌ—Ｒｏｙｃｅ拓扑结构（聚磁结构）
由英国Ｒｏｌｌｓ—Ｒｏｙｃｅ国际研究发展中心（ＩＲＤ）Ａ．Ｊ．Ｍｉｔｔｈａｍ
教授等组成的课题组，在英国国防部的大力资助下，于１９９８年
开始电力推进船用横向磁场电机的研究，并设计了如图１７所示图１６
结构形式的ＴＦＰＭ电机。该电机在Ｗｅｈ原型机的基础上，把原先的Ｕ形定
子旋转９０。成为Ｃ形，同时两个齿部错开一个极距，从而用一套绕组、一个定
子铁心实现了与ｗｅｈ原型机等效的磁路形式。这种结构形式的ＴＦＰＭ电
机，结构紧凑，利于聚磁，因此称之为聚磁式横向磁场永磁电机。目前该课题
组已经制作了２０ＭＷ、８相、１３０极的ＣＴＦＰＭ样机用于军舰的电力推进。试
验和理论分析表明，这种聚磁式横向磁场永磁电机结构简单，低速转矩大，特圈”
别适合于大功率直接推进而成为电动车电机新的研究热点之一。
３．５．３平板式ＴＦＰＭ电机
德国的Ｇ．Ｈｅｎｎｅｂｅｒｇｅｒ教授在ｗｅｈ教授原型机的基
础上设计了单边定子的平板式磁场结构ＴＦＰＭ电机。在
ＦＴＦＰＭ电机中，永磁体均匀地贴在转子表面，相邻的永磁
体分别被充磁成不同的极性。Ｕ形的定子铁心模块以整
需票嚣票蓑喜茗复笃磊蠹姜矗黑易皂季毳：雯蒿菱譬ｃａ，内定子结构图圜，。ｃｎ，外转子结构图
…’
的永磁体极性相反，并在相邻的两个定子铁心之间放置。，。
由软铁材料制成的两端削成三角形形状的辅助定子磁
路，形成闭合磁回路。图１８为三相外转子结构的ＦｒＦＰＭ电机的定、转子结构外形图。
３．５．４无源转子结构
上述几种拓扑结构的ＴＦＰＭ电机转子上均由永磁磁
钢和铁磁材料组成，因此转子本身具有磁性，是有源的（磁
势源）。这种有源转子存在加工困难、机械结构性差以及
振动等问题，１９９９年加拿大Ａｌｂｅｒｔａ大学的Ｂ．Ｅ．Ｈａｓｕｂｅｋ
等设计了无源转子ＴＦＰＭ电机，如图１９所示。ＰＲＴＦＰＭ电
机是将聚磁式ＴＦＰＭ电机转子上的永磁体等效地移到定子上，同时将转子铁心倾斜一个极距，形成无源转子的结构形式，因而具有如下三个鲜明的特点：
（ａ）减轻了转子振动等对磁钢的影响，延长了永磁体的寿命；
（ｂ）永磁磁钢置于定子上，有利于磁钢的散热，避免了由于过热造成的磁钢退磁；
（ｃ）简化了转子加工工艺，增强了转子机械结构的可靠性，转子的平衡性好，精度高；
但是ＰＲＴＦＰＭ电机也存在磁钢用量大等缺点，其研究有待于进一步深化。
３．５．５ＡｌｌｉｓｏｎＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ拓扑结构
美国通用电气公司Ａｌｌｉｓｏｎ传动部（ＡＴＤ）和Ｗｉｓ—
ｃｏｎｓｉｎ大学合作进行了混合动力客车和卡车用ＴＦＰＭ电
机的研究，为了进一步简化加工工艺，减小定子的高频
损耗，对聚磁式结构进行了改造，应用了先进的金属磁
粉（ＳＭＣ）研制了如图２０所示拓扑结构的ＴＦＰＭ电机，图２０
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