永磁同步电动机在混合动力汽车上的应用探析

王媛波 朱军

【摘 要】在车用电动机中，永磁同步电动机是比较流行的，一般分为两种类型，分别为永磁无刷电动机和永磁直流有刷电动机，永磁放置位置是两者主要差别。本文主要从永磁同步电动机的结构和其在丰田Prius轿车中的应用两个方面，对永磁同步电动机在混合动力汽车上的应用进行探析。对于永磁直流有刷电动机而言，不转动的定子是其永磁的存放位置，并将线圈安置于转子上，电流经过换向片和碳刷传递到转子上。

【关键词】永磁同步电动机 混合动力 汽车 丰田Prius轿车

1永磁同步电动机的结构

1.1定子

散热机构和线圈是定子部分的主要组成，对于车载产品而言，对空间都有有一定限制，且对燃料使用效率具有较高要求，因此，当输出功率相同时，缩小体积将成为最佳的散热方式和获得较高效率的方式。比如，在永磁同步电动机中，发生在定子部分的损失高达85%以上，损耗主要为铁损和铜损，如果磁场安置合理，铁损将大大减少。

1.2转子

根据永磁的植入方式，转子可以分为表面贴磁和内置磁铁两种，如图1所示。对于较高的震动，内置磁铁具有较好的承受能力，且在高速时，磁铁不容易出现飞脱现象，因此，在车辆使用中，适用性比较高，如果对永磁同步电动机的定功率操作区间进行扩展，必须对d轴电感和q轴电感的比值进行合理设计，还必须考虑对q轴电感饱和问题的解决。在永磁电动机的使用过程中，为了确保产品的稳定性，应该考虑磁性受到外界环境的影响，磁性影响因素一般为：（1）老化：经过充磁之后，随着时间的延长，磁铁会出现磁力缓慢衰退现象，比如钕铁硼（NdFeB），10年之后，导磁力将会衰减0.2%左右；（2）温度效应：在高温情形下，将永磁置于一段时间，磁铁的材质组织将会发生变化，对磁铁充磁后的特性具有严重的影响；（3）外在磁场：弱磁和驱动异常是最常出现的，磁铁充磁后，将会出现不可逆的磁性退磁现象。

图1 转子的各种贴磁方式

1.3 转子位置检测机构

永磁同步电动机在工作时，为了定子电流可以进入到最佳位置，需要对转子磁场位置的相关信息进行了解，以便形成所需磁场，这样可以得到最大输出效率和最佳转矩。旋转变压器、霍尔感测组件及编码器是三种最为常见的检测机构，对于环境的变动，具有较好的适应性，在汽车中应用的较为广泛。

2在丰田Prius轿车中永磁同步电动机的应用

在混合动力汽车中，丰田Prius轿车是最为典型的代表，在此轿车中，混合动力系统是其主要的动力中枢，两种混合动力为电动机和汽油机，工作中的结合方式就是并联和串联，具有较好的低排放效果。

2.1 在丰田Prius轿车中，电动机和发电机的结构

电动机和发电机内置于转子的方式是以钕铁硼磁铁的方式植入的，对于转子的磁场位置，使用的检测方法为旋转变压器。为了获得最大化的转矩输出，混合动力系统在驱动技术和动力电动机进行了适当修改：（1）使用“V”型作为转子磁铁设置；（2）在驱动器的使用过程中，应用的切换技术为过调变；（3）使用电压增压电路，对负载电压进行动态调整。在电压调整过程中，可以通过整体效率、输出功率及电机转速等方式找出最佳工作点。

2.2永磁同步电动机的优点

与传统动力装置相比，永磁同步电动机的应用，具有较好的加速性能和动力性能，且无冲击，加速有力。在混合动力汽车的应用中，永磁同步电动机的优点主要为：（1）提升电动机的额定功率和转矩：当电压上升为500V时，此时电动机的额定电流一定，最大额定输出转矩可以提高25倍。对于传统动力装置而言，最高转速具有固定的范围，可是永磁同步电动机对于效率较差的区域可以进行有效缩减；另一方面，对于电动机的制动能量而言，有利于效率回升；（2）动力装置的体积可以达到最小化：动力电动机在进行转矩区扩展时，主要是通过提升直流电压来实现的，当输出功率增加到50kW时，与过去相比，虽然增加了17kW，但是，动力电动机的体积并没有太大变化，而发电机增加输出功率的方式也是如此。（3）有利于燃油经济性的提高：在怠速情况下，电动机将会出现自动熄火现象，有利于能量损失的降低；在制动或减速情况下，汽车的动能可以被转化为热量；在大部分时间下，发动机都能实现高效工作；在加速时，向电动机补充动力，有利于发电机低效率情况的解决；在发电机的转化效率较低的情况下，电动机仍然可以驱动汽车，当发电机效率较高时，对发电机的充电具有带动作用，有利于整体效率的提升。

2.3永磁同步电动机的控制方式：磁场正交控制

当定子线圈处于转子磁场正交处时，定子线圈也会产生磁场，根据电动机原理可得，在此情况下，电动机的转矩将会达到最大值，因此，只要找到转子磁场位置后，便可确定电动机的控制重点，使用的检测方法为将传感组件安装于电动机转子位置上，对磁场位置进行检测。此检测方法的优点与直流电动机是一样的。

3结语

综上所述，本文以丰田丰田Prius轿车为例，对永磁同步电动机在混合动力汽车上的应用进行探析，可见，在混合动力汽车中，永磁同步电动机的使用具有较多优点，不仅有利于电动机额定功率和转矩的提升，还有利于燃油经济性的提高，因此，在混合动力汽车中，永磁同步电动机具有较高的应用价值。

参考文献：

[1]闫敬东.永磁同步电动机在抽油机上的应用分析[J].石油机械，2014（10）.

[2]苏涛，孙玉坤.混合动力汽车用交流永磁同步电动机驱动系统设计[J].微特电机，2014（6）.