对新能源做到知己知彼，永磁同步直流电机是怎样实现无刷驱动的？

我相信很多新能源汽车的车主或计划购买新能源车的用户都听说过永磁同步直流电机这个术语，因为它在市场上的纯电动汽车中有着非常高的利用率，尤其是对于那些巡航里程在20万公里以下的纯电动车辆，应用非常广泛。吉利、比亚迪和上汽荣威都有许多配备永磁同步电机的车型。那么作为一台直流电机，它是如何实现无刷驱动的呢？为什么叫同步电动机？异步电动机有什么区别？添加永磁体后，性能将有哪些改进？■ 传统的刷直流电机是如何驱动的？事实上，我在高中物理课本上已经学会了刷直流电机的工作原理。当我们年轻的时候，遥控模型车和四轮驱动汽车都是刷直流电机。在我的最后一篇专栏文章中，如何在交流异步电动机中实现无刷驱动？这种电机的驱动原理也已经详细介绍过了，这里就不多说了。然而，仍有几点需要说明。从刷直流电机的原理可以看出，这种电机必须有转向器才能实现驱动。所谓的转向器是指电机的正负极每隔180度就会反转一次。也就是说，转子每转半圈，线圈中的电流方向就需要反转。因此，真正流入线圈的不是纯直流，而是每180度需要反转一次的方波电流（如果电流值和时间轴被绘制为矩形方波）。由此可见，直流电不能直接驱动电机运行，必须通过波形进行处理。■ 永磁直流同步电动机的结构永磁直流异步电动机与我们在教科书中学习的有刷电动机的结构不同。它是以线圈绕组为定子，永磁体为转子设计的。永磁体主要由钕铁硼磁性材料制成，其中含有稀土，因此成本非常高。幸运的是，中国式是世界上稀土含量非常高的国家，因此大力发展电动汽车不会危及国家安全。钕的磁性对于许多播放音频的朋友来说可能并不陌生。如果扬声器是由钕磁性材料制成的，它的磁性会非常高，这意味着非常小的音量会产生很大的噪音，需要高功率才能推动的低音会非常震撼。因此，在电机中使用钕磁体作为永磁体，也将大大提高电机的功率密度，减少体积和重量。

▲ 永磁同步电动机的结构与性能优缺点永磁直流同步电动机的定子由三相绕组组成。因此，转子未通电，而定子通电。为了使电机旋转，需要获得旋转磁场。由于转子是永磁体，其磁水平是固定的，因此旋转磁场只能由定子绕组产生。

▲ 三相绕组永磁直流同步电机的基本结构如果采用三相电流驱动，定子中需要有三组绕组，每组绕组以120度的角度布置在电机外壳内壁上，三组绕组构成一个完整的圆形定子。因此，只要三组绕组交替通电，并且交流频率与转子旋转频率一致，就可以获得旋转磁场。这一原理与教科书中学习的刷直流电机相同，只是使用最简单的两相电流驱动电机，而车载直流电机使用三相电流驱动电机。

▲ 三相永磁同步电动机的绕组布置及方波关系■ 如何获得三相（方波）电流来驱动转子旋转？传统的刷电机使用转向器来获得两相矩形波电流。我们知道，转向器通过与电刷接触来改变电流相位。对于无刷永磁同步电机，需要一套半控制桥式电路来获得三相矩形波电流。这个系统由三个功率晶体管组成……

其可以被理解为电子开关）和转子位置（相位）传感器。每个功率晶体管连接一组绕组，转子位置传感器用于检测转子的旋转角度。每当转子旋转120度时，前一个通电的绕组在功率晶体管的控制下断电，后一个绕组通电，使其交替往复运动。然而，在实际设计中，考虑到运动的惯性，这个角度将被设置为130度，这与汽油发动机的气体分布叠加角相似。为了使转子运行更加平稳，绕组通电频率与转子旋转（相位）频率完全一致，并在转子位置传感器的控制下实现闭环控制。这就是为什么这种电机被称为同步电机的原因。由于转子的速度和相位在任何速度和任何情况下都与绕组的旋转磁场一致，因此被称为同步电机。

▲ 在虚线框中，有一个半控制桥式电路，它由三个电子开关V1、V2、V3和V3组成，以获得三相方波电流。本质上，虽然电机连接直流电，但在半控制桥电路和转子位置传感器的作用下，只有正负极的直流电被转换为具有三个正负级的三相直流电，转子位置传感器控制三个绕组依次通电，从而获得旋转磁场。通过这种方式，可以通过控制连接的电压或电流来实现电动机的速度调节。

▲ 方波电流与转子转角相位的同步关系■ 永磁直流同步电机的性能优势由于车辆的电池组输出高压直流，与交流异步电机相比，永磁直流异步电机毕竟不需要大功率逆变器将直流转换为正弦波交流，这种转换过程会造成一定程度的功率损失。因此，在这方面，永磁直流同步电动机提高了电池电力的使用效率。转子采用永磁体结构，因此转子本身具有自己的磁场，不需要像交流异步电动机那样由额外的感应电流产生，也就是说，转子不需要电来产生磁性，因此能耗低于交流异步电动机。采用稀土作为高磁性材料后，转子重量减轻，电机功率密度提高。因此，在相同功率下，永磁直流同步电机更轻、更小，转子的响应速度更快。■ 永磁直流同步电动机性能不足。由于永磁体的磁性有限，磁场强度不能无限增加，因此最大功率低于交流异步电动机。此外，稀土材料的价格很高，永磁直流同步电机的成本也不便宜。如果你想获得非常高的功率，你必须设计一个足够大的永磁体，那么成本会大幅上升。因此，永磁同步直流电机的功率往往不是很大，主要用于注重电能使用效率的经济型电动汽车。永磁体的另一个性能缺点是在高温下容易消磁，因此不适合工作温度高、工作环境恶劣的车辆。对于性能要求较高的高端汽车，经常使用交流异步电动机。当然，也有永磁同步电机和交流异步电机混合使用的型号，我将在后续专栏中与大家分享。我相信很多新能源汽车的车主或计划购买新能源车的用户都听说过永磁同步直流电机这个术语，因为它在市场上的纯电动汽车中有着非常高的利用率，尤其是对于那些巡航里程在20万公里以下的纯电动车辆，应用非常广泛。吉利、比亚迪和上汽荣威都有许多配备永磁同步电机的车型。那么作为一台直流电机，它是如何实现无刷驱动的呢？为什么叫同步电动机？异步电动机有什么区别？性能将有哪些改进……

添加永磁体后？■ 传统的刷直流电机是如何驱动的？事实上，我在高中物理课本上已经学会了刷直流电机的工作原理。当我们年轻的时候，遥控模型车和四轮驱动汽车都是刷直流电机。在我的最后一篇专栏文章中，如何在交流异步电动机中实现无刷驱动？这种电机的驱动原理也已经详细介绍过了，这里就不多说了。然而，仍有几点需要说明。从刷直流电机的原理可以看出，这种电机必须有转向器才能实现驱动。所谓的转向器是指电机的正负极每隔180度就会反转一次。也就是说，转子每转半圈，线圈中的电流方向就需要反转。因此，真正流入线圈的不是纯直流，而是每180度需要反转一次的方波电流（如果电流值和时间轴被绘制为矩形方波）。由此可见，直流电不能直接驱动电机运行，必须通过波形进行处理。■ 永磁直流同步电动机的结构永磁直流异步电动机与我们在教科书中学习的有刷电动机的结构不同。它是以线圈绕组为定子，永磁体为转子设计的。永磁体主要由钕铁硼磁性材料制成，其中含有稀土，因此成本非常高。幸运的是，中国式是世界上稀土含量非常高的国家，因此大力发展电动汽车不会危及国家安全。钕的磁性对于许多播放音频的朋友来说可能并不陌生。如果扬声器是由钕磁性材料制成的，它的磁性会非常高，这意味着非常小的音量会产生很大的噪音，需要高功率才能推动的低音会非常震撼。因此，在电机中使用钕磁体作为永磁体，也将大大提高电机的功率密度，减少体积和重量。

▲ 永磁同步电动机的结构与性能优缺点永磁直流同步电动机的定子由三相绕组组成。因此，转子未通电，而定子通电。为了使电机旋转，需要获得旋转磁场。由于转子是永磁体，其磁水平是固定的，因此旋转磁场只能由定子绕组产生。

▲ 三相绕组永磁直流同步电机的基本结构如果采用三相电流驱动，定子中需要有三组绕组，每组绕组以120度的角度布置在电机外壳内壁上，三组绕组构成一个完整的圆形定子。因此，只要三组绕组交替通电，并且交流频率与转子旋转频率一致，就可以获得旋转磁场。这一原理与教科书中学习的刷直流电机相同，只是使用最简单的两相电流驱动电机，而车载直流电机使用三相电流驱动电机。

▲ 三相永磁同步电动机的绕组布置及方波关系■ 如何获得三相（方波）电流来驱动转子旋转？传统的刷电机使用转向器来获得两相矩形波电流。我们知道，转向器通过与电刷接触来改变电流相位。对于无刷永磁同步电机，需要一套半控制桥式电路来获得三相矩形波电流。该系统由三个功率晶体管（可以理解为电子开关）和一个转子位置（相位）传感器组成。每个功率晶体管连接一组绕组，转子位置传感器用于检测转子的旋转角度。每当转子旋转120度时，前一个通电的绕组在功率晶体管的控制下断电，后一个绕组通电，使其交替往复运动。然而，在实际设计中，考虑到运动的惯性，这个角度将被设置为130度，这与汽油发动机的气体分布叠加角相似。为了让腐烂……

运行更加平稳，绕组通电频率与转子旋转（相位）频率完全一致，在转子位置传感器的控制下实现闭环控制。这就是为什么这种电机被称为同步电机的原因。由于转子的速度和相位在任何速度和任何情况下都与绕组的旋转磁场一致，因此被称为同步电机。

▲ 在虚线框中，有一个半控制桥式电路，它由三个电子开关V1、V2、V3和V3组成，以获得三相方波电流。本质上，虽然电机连接直流电，但在半控制桥电路和转子位置传感器的作用下，只有正负极的直流电被转换为具有三个正负级的三相直流电，转子位置传感器控制三个绕组依次通电，从而获得旋转磁场。通过这种方式，可以通过控制连接的电压或电流来实现电动机的速度调节。

▲ 方波电流与转子转角相位的同步关系■ 永磁直流同步电机的性能优势由于车辆的电池组输出高压直流，与交流异步电机相比，永磁直流异步电机毕竟不需要大功率逆变器将直流转换为正弦波交流，这种转换过程会造成一定程度的功率损失。因此，在这方面，永磁直流同步电动机提高了电池电力的使用效率。转子采用永磁体结构，因此转子本身具有自己的磁场，不需要像交流异步电动机那样由额外的感应电流产生，也就是说，转子不需要电来产生磁性，因此能耗低于交流异步电动机。采用稀土作为高磁性材料后，转子重量减轻，电机功率密度提高。因此，在相同功率下，永磁直流同步电机更轻、更小，转子的响应速度更快。■ 永磁直流同步电动机性能不足。由于永磁体的磁性有限，磁场强度不能无限增加，因此最大功率低于交流异步电动机。此外，稀土材料的价格很高，永磁直流同步电机的成本也不便宜。如果你想获得非常高的功率，你必须设计一个足够大的永磁体，那么成本会大幅上升。因此，永磁同步直流电机的功率往往不是很大，主要用于注重电能使用效率的经济型电动汽车。永磁体的另一个性能缺点是在高温下容易消磁，因此不适合工作温度高、工作环境恶劣的车辆。对于性能要求较高的高端汽车，经常使用交流异步电动机。当然，也有永磁同步电机和交流异步电机混合使用的型号，我将在后续专栏中与大家分享。

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