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电动汽车驱动电机的演变与控制技术基础
周
泉
摘要：汇总了10多年来不同国家电动汽车的厂家、所生产的车型、电动汽车的类型、电动汽车驱动电机的种类与控制方式；中国、日本等国家的电动汽车驱动电机多采用永磁同步电动机，从其控制方式出发，对电动汽车驱动电机的转矩控制等加以介绍；阐述永磁电动机控制系统的构成，以及矢量控制与弱磁控制。
关键词：电动汽车；驱动电机；永磁电动机；控制系统；矢量控制；弱磁控制
文献标识码：B 文章编号：1003－8639（2014）12－0078－04中图分类号：U464.142
Development of EV Driving Motor and Its Control Technology Base
ZHOU Quan
Abstract ：The EV producers ，models ，types and the kinds and control modes of EV driving motors in different countries in the past ten years are summarized here. PMSM is widely used in EV driving motor in China and Japan. The torque control of this motor is introduced from its control mode as well as the composition of its PMSM control system ，vector control and weak magnetic control.
Key words ：EV ；driving motor ；PMSM ；control system ；vector control ；weak magnetic control
DOI:10.13273/j.cnki.qcdq.2014.12.025
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电动汽车驱动电机与控制的演变
以前，电动汽车驱动电机采用直流电动机，对此可以列出的理由有：作为电源的蓄电池是直流，控制直流电动机速度较容易，结构简单等。时至今日，小型EV （纯电动汽车）及改装的EV 也还在使用直流电动机。这些直流电动机大部分是串激型，控制方法为采用斩波器、利用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ，简称PWM ）进行电压控制。而对采用通用电动机的，则可以利用外部的可变电阻、发出速度／力矩指令，在指令值的输入侧设置滤波器，采用具有时间常数调整功能的驱动控制。
但另一方面，普通汽车厂及电动汽车厂生产的驱动电机一般为交流电动机。欧美厂家大多数倾向于采用感应电动机，中国与日本等国家一般采用永磁交流同步电动机（以下简称PMSM ）。
在20世纪90年代初期，感应电动机占据了EV 驱动电机的主流。此后Unique Mobility 公司开发出新结构的PMSM ，其采用的是表贴式永磁转子，简称这种电机为表贴式永磁同步电动机，简写作SPMSM （Surface Permanent Magnet Synchronous Motor ）。利用由环状烧结永磁体与霍尔元件组成的磁极位置传感器检测磁极位置，以通电角120°的矩形波进行驱动；基于转速和所要求的力矩以提前角和PWM 占空比对电机进行控制。同时期本田公司开发的EV-Plus 驱动电机也是SPMSM 型、矩形波驱动，这两点没有什么变化，但预先将提前角、PWM 占空比以及增大的通电角（将120°增大到最大175°）加
收稿日期：2014-10-22；修回日期：2014-11-12
以变换，基于变换的数据进行控制，其思路与燃油喷射用ECU 的思路相同。在当时，因为还不存在具有装车业绩的驱动电机专用ECU （CPU ），所以，采用的办法是：以有一定业绩的发动机控制用ECU 为基础进行开发。1998年开始销售的本田最早的混合动力车（简称HEV ）Insight 驱动电机也是SPMSM 型，且采用了同样的控制方法。此后，厂家开发出了电机驱动专用ECU 。从2002发表的燃料电池车（简称FCV ）FCX 开始，电机配有了Insight 用的智能功率模块，且采用了矢量控制。此电机最基本的控制就是矢量控制，为了提高高转速区的输出功率，还增加了伪单脉冲控制。此后，在2009年发表的FCX-Clarity 上，采用了内置式永磁同步电动机，简称为IPMSM （Interior Permanent Magnet Synchronous Motor ），实现了高转速化和高功率化。
丰田Prius 用电机及电机的控制也随着每次的更新换代在不断地更新，使其性能有了大幅度的提高。1997年发布的第一代丰田Prius 上，在IPMSM 上采用了矢量控制。此后，进行了更新换代，更新了电动机及其控制方法，提高了输出功率。
在2003年，实施了全面的更新换代：电机为内置式永磁同步电动机（IPMSM ）型、配置了V 字形永磁体，在逆变器上设置了提高电源电压的升压器，由于提高了DC 线路的电压，在高转速、高功率区域大幅度地增加了输出功率。在2009年，全面地实施了第2次更新换代；以前，发电机定子采用的是分布绕组，借此机会，改为凸极集中绕组等。从
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《汽车电器》２０１４年第１２期
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结构上看，也进行了大幅度的更改。
上面已经提到，日本厂家的电动汽车用驱动电机PMSM 占主流，其进步非常显著。另一方面，欧美厂家是感应电动机占主流。美国特斯拉公司最新的EV 采用的是感应电动机；原预定在2010年末开始销售的GM 雪佛兰沃蓝达（Chevrolet Volt ）用驱动电机采用的也是感应电动机。采用技术的不同，在于受到永磁体、电工钢板等主要材料以及部件厂家、大学、企业对电机的研究等的较大影响。日本厂家主要采用PMSM 型的理由有：除了PMSM 型的优点之外，高性能钕铁硼永磁体与高性能电工钢板的生产厂家集中在日本；在大学及企业里盛行对PMSM 进行卓有成效的研究。而欧美在军事方面，掌握着小型高功率感应电动机的技术，但没有制造高性能钕铁硼永磁体的厂家等，所以热衷于感应电动机。到2013年为止，已经发布的EV 、FCV 、HEV 驱动电动机的种类与控制方式的汇总如表1所示。
表1
年份
驱动电动机的种类与控制方式
国家车类别美国日本日本日本日本日本日本日本日本日本日本美国德国日本
电动机种类感应电动机
电动机控制方式矢量控制矢量控制矩形波脉谱控制矢量控制矩形波脉谱控制矢量控制矢量控制升压控制
2PMSM 的优点
无论哪种电动机都是根据“左手定则”产生扭矩的，让我们回顾一下中学物理课学过的电动机定则内容，这是一个确定通电直导线在外磁场中受力方向的定则。其方法是：伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并都与手掌在同一平面上。设想将左手放入磁场中，使磁力线垂直地进入手心，其余四指指向电流方向，这时拇指所指的方向就是磁场对电流作用力的方向。对PMSM 来讲，已经确定磁通是由永久磁铁形成，称磁通的这一方向为d 轴，只要在与d 轴垂直的方向（即q 轴方向）有电流通过就可以满足左手定则的条件，称此电流为q 轴电流。与此相比，对感应电动机来说，除了q 轴电流之外，为了维持足够的磁通、d 轴方向上还需要有电流通过，称此电流为d 轴电流。由此可以看出：永磁电动机通过较小的电流就可以产生所需要的扭矩，减少了损耗。效率非常高的驱动系统对电动汽车来说是非常具有吸引力的。
从结构上来看，永磁电动机有两个特点：一是转子上的永磁体可以采用内置式结构；二是可以实现多极设计。
图1是永磁电动机转子结构一个例子。老式永磁电动机转子上的永磁体一般采用表贴式结构，较新式的永磁电动机多半采用内置式结构。其理由有两点：与永磁体粘贴在转子表面相比，埋入在转子内部的场合下，可以防
图1内置式永磁电
止高速旋转时永磁体出动机转子结构现散落；因此，设计电
动机时，转子的转速可选10000r ／min 以上。
此外，配置永磁体的磁路中存在有气隙，永磁体产生磁通的d 轴方向与永磁体之间q 轴方向的自感不同。也就是说，在q 轴方向上存在凸极的转子上，当有d 轴电流与q 轴电流时，就有磁阻转矩产生。如能将与磁通垂直的q 轴电流产生的电磁转矩与磁阻转矩加以合成的话，就可以增大电动机的最大转矩。换句话说，对所要求的最大转矩，采用合适的转子结构，可以进一步减小电动机的体积。
永磁同步电动机产生的转矩可以用公式（1）表示，第1项是永磁体磁通Φa 与q 轴电流i q 所产生的电磁转矩；第2项是因凸极而形成的磁阻转矩，其大小和d 轴自感与q 轴自感之差成正比。
（L d -L q ）····（1）T=Pn Φ·i d i q a i q +P n
式中：P n ———极对数；Φa ———电枢交链的永磁体产生的磁通；L d 、L q ———d 、q 轴的自感。
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厂家／车型
1996GM ／EVi 1996丰田／Rav4EV 1996本田／EV-Plus 1997丰田／Prius 1998本田／Insight 2002本田／FCX
2002丰田／FCHV 2003丰田／Prius 2009丰田／Prius 2009本田／FCX Clarity 2009三菱汽车／i-Mlev 2009Tesla ／Roadstar 2010BWM ／Mini-E 2010日产／Leaf
EV EV EV HEV HEV FCV FCV HEV HEV FCV EV EV EV EV HEV EV EV
第4代
SPMSM SPMSM IPMSM PMSM Insight SPMSM IPMSM
IPMSM 矢量控制+IPMSM IPMSM IPMSM
感应电动机感应电动机
矢量控制+升压控制矢量控制矢量控制矢量控制矢量控制矢量控制矢量控制锂电池系统矢量控制磷酸铁锂电池
IPMSM
感应电动机交流电推进永磁直流无刷永磁同步
2010GM Chevrolet Volt 美国2011永源／电动SUV 2011东南／得利卡电动2013和悦爱意IEV4
中国中国中国
EV
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要想提高永磁电动机的功率，可寄望于通过增加电磁转矩实现高转矩、高效率及小型化；另一方面，通过在转子结构上下功夫以及永磁体布置的最佳化，还可以进一步增大永磁电动机的功率。永磁同步电动机转子的典型结构如图2所示，图2中的b~e被广泛地用于非常重视效率的EV 及HEV 用高效电动机上。内置式转子上不需要表贴式转子上防止永磁体散落的不锈钢套筒，因此可以大幅度地降低转子表面的涡流损耗。内置式转子采用的是L d ＜L q 的逆凸极型结构，若采用图2中的b 、e 结构，就可以提高凸极率L d ／L q ，磁阻转矩的增加也可以增加转矩、提高效率。
图3
按电磁转矩与磁阻转矩的比例对同步电动机加以分类
3电动汽车用永磁电动机控制基础3.1永磁电动机的转矩控制
电动汽车用永磁电动机控制系统的构成如图4所示。电动汽车的控制系统是根据加速踏板、制动器等的信息所确定的转矩指令控制电动机的。实际上，这是一种电流控制系统，以保证有相当于转矩指令的电流通过。也就是说，通过增减d 轴方向的磁通控制d 轴电流，另外控制与d 轴垂直的q 轴电流，基本上对这两种电流还是分别独立控制的方法，即采用的是交流电动机矢量控制法。
从图4中可以看出：转矩指令运算单元根据加速踏板、制动器的信息以及电动机的速度ω可以求出转矩指令τ*，最佳电流指令运算单元根据输入的转矩指令τ*与电动机速度ω，可计算出效率最高的q 轴电流指令i q *、d 轴电流指令i d *。上面已经讲到，电磁转矩与q 轴电流i q 成正比，但因为磁阻转矩与d 轴电流i d 及q 轴电流iq 成正比，所以对永磁电动机来说，即便产生同一转矩τ，也可以改变d 轴电流i d 及q 轴电流i q 的比例。d ／q 轴电流控制单元则输出d 轴电压指令U d *、q 轴电压指令U q *，以保证d 轴电流i d 及q 轴电流i q 分别符合其指令值的要求。此外，停顿时间补偿单元对逆
图2
永磁同步电动机转子的典型结构
就内置式永磁电动机来讲，永磁体的形状及转子内永磁体的布置等的自由度还是比较大的，通过永磁体种类及用量的选择、转子形状的设计，可以调整电磁转矩与磁阻转矩的比例。按电磁转矩与磁阻转矩的比例对同步电动机加以分类，所得结果如图3所示。图3中的Ⅰ区是仅利用电磁转矩的SPMSM ，Ⅳ区是不用永磁体仅利用磁阻转矩的同步磁阻电动机，简称为SynRM （Synchronous Reluctanece Motor ）。IPMSM 是利用两方转矩的电动机。以前设计IPMSM 时，主要是利用永磁体形成的电磁转矩，辅助性地运用磁阻转矩（区域Ⅱ的电动机）。为了使永磁同步电动机高速运转，在超过额定转速时，则实施通过负d 轴电流的等价的弱励磁控制，即弱磁控制。但是，速度越高就需要越大的弱磁电流，这样一来，铜损的增加将导致效率降低，同时逆变器截止时还会出现过电压等问题。
图4电动汽车用永磁电动机控制系统的构成
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变器开、关转换停顿时间所产生的电压误差加以补偿。将这样所得到的三相交流电压指令值U u 、U v 、U w 在PWM 信号发生器中变换成适合逆变器动作的PWM 信号，并输出逆变器控制信号。以上所述为永磁电动机的控制方法，这里主要说明的是矢量控制。3.2最佳电流指令的确定方法
在最佳电流指令运算单元内，d 轴电流指令i d *、q 轴电流指令i q *需要满足下列条件。
1）为了满足电动机的反电动势不得超过受控于蓄电池电压的逆变器的最大输出电压，在电动机速度ω较高时，也就是反电动势较大时（图5），需要利用d 轴电流i d 实施弱磁控制。在图5a 中，相对于永磁体产生磁通Φ的方向，即相对于d 轴的正方向，将id 控制在反的方向（d 轴的负方向），这样一来，如图5b 的电压矢量图所示，弱磁控制时的电压矢量U 的长度要短于没有弱磁控制时的电压矢量U 0的程度，这就表明，可以将反电动势抑制在逆变器的最大输出电压之内。
较为难以理解的矢量控制概念。
在此，对矢量控制的含义通俗地总结为：矢量控制的基本原理是将通过交流电动机的电流分为产生转矩的电流分量与产生磁通的电流，而对此分别加以控制。对于矢量控制稍加严密地阐述为：矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换成以转子磁链定向的两相参考坐标系，参照直流电机的控制思想，完成电机转矩的控制。
本文的3.2中提到了弱磁控制，弱磁控制原本是直流电动机用术语，就直流电动机来说，受电源电压的限制，转速不再升高时，通过减弱激磁磁场可进一步提高转速。对利用永磁体获得激磁磁通的永磁同步电动机（PMSM ）来说，无法像绕组激磁型同步电动机那样直接控制激磁磁通；但是，通过形成负的d 轴电流、利用效应的去磁效果，也可以减弱d 轴方向的磁通，等价地实现了弱磁控制。当然，现有的弱磁控制方法大都在矢量控制中实现。参考文献：
［1］山本恵一. 電動車両用駆動モータと制御の変遷［J ］. 計
測と制御，2011，50（3）：178-180.
［2］森本茂雄. 永久磁石同期機の技術動向［J ］. 電学誌，
2002，122（11）：761.
［3］正木良三. 電気自動車用永久磁石電動機とその制御技
術［M ］. 電学誌，1999，119（8／9）：520-522.
［4］刘军，等. 永磁同步电机控制策略［J ］. 上海电机学院学
图5弱磁控制时的电流、电压矢量
报，2007，10（3）：180-184. （编辑文珍）
在前面已经提到，可以应用磁阻转矩是这种电动机的特点，在公式（1）中，右边的第2项为磁阻转矩；在采用图1所示结构转子的场合下，有关d 轴电感量L d 、q 轴电感量L q 的下列公式成立：L d ＜L q ，即为逆凸极性结构。而在电动机驱动工作时，要想有效地运用磁阻转矩，公式（1）中右边的第2项必须为正，由此U 必须把i d 控制为负值。这就意味着：通过使i d ＜0，在满足公式（1）条件的同时，还可以利用磁阻转矩，对采用图4逆凸极性结构的永磁电动机实施弱磁控制，在蓄电池电压即便有某种程度的降低也必须加以驱动的电动汽车来说，正是人们所期望的工作方式。
2）所给出的i d *、i q
*应能保证公式（1）中的电动机转矩指令τ与转矩指令τ*一致，满足这一条件的i d *、i q *有无数个。
在以上两个条件之下，对转矩指令τ*、电动机速度ω来说，电动机与逆变器的综合效率最高。
2015年专刊征稿特别提示
自2011年第5期开始，《汽车电器》每期一个主题出版专刊。专刊出版3年多来，受到广大读者、作者及广告客户的极大关注与支持。根据以往专刊运作经验，经过周密分析和研究，本刊拟定2015年专刊出版计划，特此公告。
2015年《汽车电器》专刊计划
第1期第2期第3期第4期乘用车通用技术商用车通用技术第7期第8期第9期第10期乘用车通用技术商用车整车电路
第5期空调第11期乘用车
第6期新能源第12期新能源
注：根据稿源及读者意见，可能会有个别调整，具体以出版后为准。
本刊特别征集商用、空调、新能源、整车电路方面的稿件，凡此类的稿件，我刊将尽力在接近当期的专刊刊出，并且优稿优酬。
本刊的每一期从投稿到发行要经过一系列环节，一般出版周期平均为六七个月。因此，希望广大作者根据我们的出版计划合理安排好投稿时间，否则就可能要等到下一轮该专刊的出版（特别是商用、空调、新能源、整车电路方面的文章）。
4
结语
本文介绍了至2013年为止，主要的电动汽车厂家所采用的驱动电机类型及其控制方式；从中学物理电学知识的关于电动机的左手定则出发，介绍了
专刊再扬帆2015更精彩敬请关注！
咨询电话：0731-82798408
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电动汽车驱动电机的演变与控制技术基础
周
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摘要：汇总了10多年来不同国家电动汽车的厂家、所生产的车型、电动汽车的类型、电动汽车驱动电机的种类与控制方式；中国、日本等国家的电动汽车驱动电机多采用永磁同步电动机，从其控制方式出发，对电动汽车驱动电机的转矩控制等加以介绍；阐述永磁电动机控制系统的构成，以及矢量控制与弱磁控制。
关键词：电动汽车；驱动电机；永磁电动机；控制系统；矢量控制；弱磁控制
文献标识码：B 文章编号：1003－8639（2014）12－0078－04中图分类号：U464.142
Development of EV Driving Motor and Its Control Technology Base
ZHOU Quan
Abstract ：The EV producers ，models ，types and the kinds and control modes of EV driving motors in different countries in the past ten years are summarized here. PMSM is widely used in EV driving motor in China and Japan. The torque control of this motor is introduced from its control mode as well as the composition of its PMSM control system ，vector control and weak magnetic control.
Key words ：EV ；driving motor ；PMSM ；control system ；vector control ；weak magnetic control
DOI:10.13273/j.cnki.qcdq.2014.12.025
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电动汽车驱动电机与控制的演变
以前，电动汽车驱动电机采用直流电动机，对此可以列出的理由有：作为电源的蓄电池是直流，控制直流电动机速度较容易，结构简单等。时至今日，小型EV （纯电动汽车）及改装的EV 也还在使用直流电动机。这些直流电动机大部分是串激型，控制方法为采用斩波器、利用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ，简称PWM ）进行电压控制。而对采用通用电动机的，则可以利用外部的可变电阻、发出速度／力矩指令，在指令值的输入侧设置滤波器，采用具有时间常数调整功能的驱动控制。
但另一方面，普通汽车厂及电动汽车厂生产的驱动电机一般为交流电动机。欧美厂家大多数倾向于采用感应电动机，中国与日本等国家一般采用永磁交流同步电动机（以下简称PMSM ）。
在20世纪90年代初期，感应电动机占据了EV 驱动电机的主流。此后Unique Mobility 公司开发出新结构的PMSM ，其采用的是表贴式永磁转子，简称这种电机为表贴式永磁同步电动机，简写作SPMSM （Surface Permanent Magnet Synchronous Motor ）。利用由环状烧结永磁体与霍尔元件组成的磁极位置传感器检测磁极位置，以通电角120°的矩形波进行驱动；基于转速和所要求的力矩以提前角和PWM 占空比对电机进行控制。同时期本田公司开发的EV-Plus 驱动电机也是SPMSM 型、矩形波驱动，这两点没有什么变化，但预先将提前角、PWM 占空比以及增大的通电角（将120°增大到最大175°）加
收稿日期：2014-10-22；修回日期：2014-11-12
以变换，基于变换的数据进行控制，其思路与燃油喷射用ECU 的思路相同。在当时，因为还不存在具有装车业绩的驱动电机专用ECU （CPU ），所以，采用的办法是：以有一定业绩的发动机控制用ECU 为基础进行开发。1998年开始销售的本田最早的混合动力车（简称HEV ）Insight 驱动电机也是SPMSM 型，且采用了同样的控制方法。此后，厂家开发出了电机驱动专用ECU 。从2002发表的燃料电池车（简称FCV ）FCX 开始，电机配有了Insight 用的智能功率模块，且采用了矢量控制。此电机最基本的控制就是矢量控制，为了提高高转速区的输出功率，还增加了伪单脉冲控制。此后，在2009年发表的FCX-Clarity 上，采用了内置式永磁同步电动机，简称为IPMSM （Interior Permanent Magnet Synchronous Motor ），实现了高转速化和高功率化。
丰田Prius 用电机及电机的控制也随着每次的更新换代在不断地更新，使其性能有了大幅度的提高。1997年发布的第一代丰田Prius 上，在IPMSM 上采用了矢量控制。此后，进行了更新换代，更新了电动机及其控制方法，提高了输出功率。
在2003年，实施了全面的更新换代：电机为内置式永磁同步电动机（IPMSM ）型、配置了V 字形永磁体，在逆变器上设置了提高电源电压的升压器，由于提高了DC 线路的电压，在高转速、高功率区域大幅度地增加了输出功率。在2009年，全面地实施了第2次更新换代；以前，发电机定子采用的是分布绕组，借此机会，改为凸极集中绕组等。从
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结构上看，也进行了大幅度的更改。
上面已经提到，日本厂家的电动汽车用驱动电机PMSM 占主流，其进步非常显著。另一方面，欧美厂家是感应电动机占主流。美国特斯拉公司最新的EV 采用的是感应电动机；原预定在2010年末开始销售的GM 雪佛兰沃蓝达（Chevrolet Volt ）用驱动电机采用的也是感应电动机。采用技术的不同，在于受到永磁体、电工钢板等主要材料以及部件厂家、大学、企业对电机的研究等的较大影响。日本厂家主要采用PMSM 型的理由有：除了PMSM 型的优点之外，高性能钕铁硼永磁体与高性能电工钢板的生产厂家集中在日本；在大学及企业里盛行对PMSM 进行卓有成效的研究。而欧美在军事方面，掌握着小型高功率感应电动机的技术，但没有制造高性能钕铁硼永磁体的厂家等，所以热衷于感应电动机。到2013年为止，已经发布的EV 、FCV 、HEV 驱动电动机的种类与控制方式的汇总如表1所示。
表1
年份
驱动电动机的种类与控制方式
国家车类别美国日本日本日本日本日本日本日本日本日本日本美国德国日本
电动机种类感应电动机
电动机控制方式矢量控制矢量控制矩形波脉谱控制矢量控制矩形波脉谱控制矢量控制矢量控制升压控制
2PMSM 的优点
无论哪种电动机都是根据“左手定则”产生扭矩的，让我们回顾一下中学物理课学过的电动机定则内容，这是一个确定通电直导线在外磁场中受力方向的定则。其方法是：伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并都与手掌在同一平面上。设想将左手放入磁场中，使磁力线垂直地进入手心，其余四指指向电流方向，这时拇指所指的方向就是磁场对电流作用力的方向。对PMSM 来讲，已经确定磁通是由永久磁铁形成，称磁通的这一方向为d 轴，只要在与d 轴垂直的方向（即q 轴方向）有电流通过就可以满足左手定则的条件，称此电流为q 轴电流。与此相比，对感应电动机来说，除了q 轴电流之外，为了维持足够的磁通、d 轴方向上还需要有电流通过，称此电流为d 轴电流。由此可以看出：永磁电动机通过较小的电流就可以产生所需要的扭矩，减少了损耗。效率非常高的驱动系统对电动汽车来说是非常具有吸引力的。
从结构上来看，永磁电动机有两个特点：一是转子上的永磁体可以采用内置式结构；二是可以实现多极设计。
图1是永磁电动机转子结构一个例子。老式永磁电动机转子上的永磁体一般采用表贴式结构，较新式的永磁电动机多半采用内置式结构。其理由有两点：与永磁体粘贴在转子表面相比，埋入在转子内部的场合下，可以防
图1内置式永磁电
止高速旋转时永磁体出动机转子结构现散落；因此，设计电
动机时，转子的转速可选10000r ／min 以上。
此外，配置永磁体的磁路中存在有气隙，永磁体产生磁通的d 轴方向与永磁体之间q 轴方向的自感不同。也就是说，在q 轴方向上存在凸极的转子上，当有d 轴电流与q 轴电流时，就有磁阻转矩产生。如能将与磁通垂直的q 轴电流产生的电磁转矩与磁阻转矩加以合成的话，就可以增大电动机的最大转矩。换句话说，对所要求的最大转矩，采用合适的转子结构，可以进一步减小电动机的体积。
永磁同步电动机产生的转矩可以用公式（1）表示，第1项是永磁体磁通Φa 与q 轴电流i q 所产生的电磁转矩；第2项是因凸极而形成的磁阻转矩，其大小和d 轴自感与q 轴自感之差成正比。
（L d -L q ）····（1）T=Pn Φ·i d i q a i q +P n
式中：P n ———极对数；Φa ———电枢交链的永磁体产生的磁通；L d 、L q ———d 、q 轴的自感。
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厂家／车型
1996GM ／EVi 1996丰田／Rav4EV 1996本田／EV-Plus 1997丰田／Prius 1998本田／Insight 2002本田／FCX
2002丰田／FCHV 2003丰田／Prius 2009丰田／Prius 2009本田／FCX Clarity 2009三菱汽车／i-Mlev 2009Tesla ／Roadstar 2010BWM ／Mini-E 2010日产／Leaf
EV EV EV HEV HEV FCV FCV HEV HEV FCV EV EV EV EV HEV EV EV
第4代
SPMSM SPMSM IPMSM PMSM Insight SPMSM IPMSM
IPMSM 矢量控制+IPMSM IPMSM IPMSM
感应电动机感应电动机
矢量控制+升压控制矢量控制矢量控制矢量控制矢量控制矢量控制矢量控制锂电池系统矢量控制磷酸铁锂电池
IPMSM
感应电动机交流电推进永磁直流无刷永磁同步
2010GM Chevrolet Volt 美国2011永源／电动SUV 2011东南／得利卡电动2013和悦爱意IEV4
中国中国中国
EV
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要想提高永磁电动机的功率，可寄望于通过增加电磁转矩实现高转矩、高效率及小型化；另一方面，通过在转子结构上下功夫以及永磁体布置的最佳化，还可以进一步增大永磁电动机的功率。永磁同步电动机转子的典型结构如图2所示，图2中的b~e被广泛地用于非常重视效率的EV 及HEV 用高效电动机上。内置式转子上不需要表贴式转子上防止永磁体散落的不锈钢套筒，因此可以大幅度地降低转子表面的涡流损耗。内置式转子采用的是L d ＜L q 的逆凸极型结构，若采用图2中的b 、e 结构，就可以提高凸极率L d ／L q ，磁阻转矩的增加也可以增加转矩、提高效率。
图3
按电磁转矩与磁阻转矩的比例对同步电动机加以分类
3电动汽车用永磁电动机控制基础3.1永磁电动机的转矩控制
电动汽车用永磁电动机控制系统的构成如图4所示。电动汽车的控制系统是根据加速踏板、制动器等的信息所确定的转矩指令控制电动机的。实际上，这是一种电流控制系统，以保证有相当于转矩指令的电流通过。也就是说，通过增减d 轴方向的磁通控制d 轴电流，另外控制与d 轴垂直的q 轴电流，基本上对这两种电流还是分别独立控制的方法，即采用的是交流电动机矢量控制法。
从图4中可以看出：转矩指令运算单元根据加速踏板、制动器的信息以及电动机的速度ω可以求出转矩指令τ*，最佳电流指令运算单元根据输入的转矩指令τ*与电动机速度ω，可计算出效率最高的q 轴电流指令i q *、d 轴电流指令i d *。上面已经讲到，电磁转矩与q 轴电流i q 成正比，但因为磁阻转矩与d 轴电流i d 及q 轴电流iq 成正比，所以对永磁电动机来说，即便产生同一转矩τ，也可以改变d 轴电流i d 及q 轴电流i q 的比例。d ／q 轴电流控制单元则输出d 轴电压指令U d *、q 轴电压指令U q *，以保证d 轴电流i d 及q 轴电流i q 分别符合其指令值的要求。此外，停顿时间补偿单元对逆
图2
永磁同步电动机转子的典型结构
就内置式永磁电动机来讲，永磁体的形状及转子内永磁体的布置等的自由度还是比较大的，通过永磁体种类及用量的选择、转子形状的设计，可以调整电磁转矩与磁阻转矩的比例。按电磁转矩与磁阻转矩的比例对同步电动机加以分类，所得结果如图3所示。图3中的Ⅰ区是仅利用电磁转矩的SPMSM ，Ⅳ区是不用永磁体仅利用磁阻转矩的同步磁阻电动机，简称为SynRM （Synchronous Reluctanece Motor ）。IPMSM 是利用两方转矩的电动机。以前设计IPMSM 时，主要是利用永磁体形成的电磁转矩，辅助性地运用磁阻转矩（区域Ⅱ的电动机）。为了使永磁同步电动机高速运转，在超过额定转速时，则实施通过负d 轴电流的等价的弱励磁控制，即弱磁控制。但是，速度越高就需要越大的弱磁电流，这样一来，铜损的增加将导致效率降低，同时逆变器截止时还会出现过电压等问题。
图4电动汽车用永磁电动机控制系统的构成
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《汽车电器》２０１４年第１２期
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变器开、关转换停顿时间所产生的电压误差加以补偿。将这样所得到的三相交流电压指令值U u 、U v 、U w 在PWM 信号发生器中变换成适合逆变器动作的PWM 信号，并输出逆变器控制信号。以上所述为永磁电动机的控制方法，这里主要说明的是矢量控制。3.2最佳电流指令的确定方法
在最佳电流指令运算单元内，d 轴电流指令i d *、q 轴电流指令i q *需要满足下列条件。
1）为了满足电动机的反电动势不得超过受控于蓄电池电压的逆变器的最大输出电压，在电动机速度ω较高时，也就是反电动势较大时（图5），需要利用d 轴电流i d 实施弱磁控制。在图5a 中，相对于永磁体产生磁通Φ的方向，即相对于d 轴的正方向，将id 控制在反的方向（d 轴的负方向），这样一来，如图5b 的电压矢量图所示，弱磁控制时的电压矢量U 的长度要短于没有弱磁控制时的电压矢量U 0的程度，这就表明，可以将反电动势抑制在逆变器的最大输出电压之内。
较为难以理解的矢量控制概念。
在此，对矢量控制的含义通俗地总结为：矢量控制的基本原理是将通过交流电动机的电流分为产生转矩的电流分量与产生磁通的电流，而对此分别加以控制。对于矢量控制稍加严密地阐述为：矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换成以转子磁链定向的两相参考坐标系，参照直流电机的控制思想，完成电机转矩的控制。
本文的3.2中提到了弱磁控制，弱磁控制原本是直流电动机用术语，就直流电动机来说，受电源电压的限制，转速不再升高时，通过减弱激磁磁场可进一步提高转速。对利用永磁体获得激磁磁通的永磁同步电动机（PMSM ）来说，无法像绕组激磁型同步电动机那样直接控制激磁磁通；但是，通过形成负的d 轴电流、利用效应的去磁效果，也可以减弱d 轴方向的磁通，等价地实现了弱磁控制。当然，现有的弱磁控制方法大都在矢量控制中实现。参考文献：
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［2］森本茂雄. 永久磁石同期機の技術動向［J ］. 電学誌，
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［3］正木良三. 電気自動車用永久磁石電動機とその制御技
術［M ］. 電学誌，1999，119（8／9）：520-522.
［4］刘军，等. 永磁同步电机控制策略［J ］. 上海电机学院学
图5弱磁控制时的电流、电压矢量
报，2007，10（3）：180-184. （编辑文珍）
在前面已经提到，可以应用磁阻转矩是这种电动机的特点，在公式（1）中，右边的第2项为磁阻转矩；在采用图1所示结构转子的场合下，有关d 轴电感量L d 、q 轴电感量L q 的下列公式成立：L d ＜L q ，即为逆凸极性结构。而在电动机驱动工作时，要想有效地运用磁阻转矩，公式（1）中右边的第2项必须为正，由此U 必须把i d 控制为负值。这就意味着：通过使i d ＜0，在满足公式（1）条件的同时，还可以利用磁阻转矩，对采用图4逆凸极性结构的永磁电动机实施弱磁控制，在蓄电池电压即便有某种程度的降低也必须加以驱动的电动汽车来说，正是人们所期望的工作方式。
2）所给出的i d *、i q
*应能保证公式（1）中的电动机转矩指令τ与转矩指令τ*一致，满足这一条件的i d *、i q *有无数个。
在以上两个条件之下，对转矩指令τ*、电动机速度ω来说，电动机与逆变器的综合效率最高。
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结语
本文介绍了至2013年为止，主要的电动汽车厂家所采用的驱动电机类型及其控制方式；从中学物理电学知识的关于电动机的左手定则出发，介绍了
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