汽车永磁同步电机发展现状及技术挑战

彭蕾 黄晓东 李春霞 李小麟 王凯

摘 要：20世纪随着钐钴永磁体和钕铁硼永磁体的相继研制成功，永磁同步电机成为电机领域不可或缺的主要角色。本文分析了汽车用永磁同步电机的发展现状及遇到的难题，指出国内外汽车领域因稀土资源对永磁电机需求的差异，列举了高热、振动对永磁同步电机永磁体退磁的影响，参照标准GB/T 18488-2015分析了不利因素对试验结果的影响。总结了目前主流的解决技术，即通过建立热量模型设定温度上限，利用传感器、信号传输、计算机控制结合在力矩控制、位置、速度上做到精确管理。

关键词：汽车，永磁同步电机，标准，电机控制

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.034

0 引 言

永磁电机是世界上出现的第一种电动机产品，是汽车领域驱动的核心部件。20世纪90年代，丰田汽车公司研制的某型汽车就搭载了功率最大为50kW，转速最大为1300r/min的永磁同步电机作为驱动电机，该电机是由东京电机公司设计并制造的一款插入式永磁同步电机。随着近几年集成电路技术、电子元件技术和微型计算机技术的迅速发展，永磁电机凭借其功率大、高效率、体积小、低能耗等优势迎来了属于它的时代，无论是航天领域、农用领域、军工领域、民用领域都得到广泛应用并结出果实。

1 汽车用永磁电机的发展现状

比较相同功率的永磁同步电动机和异步电机，永磁电机具有重量轻、响应速度快、制动性能和极限转速表现优秀等优点，而且永磁体代替了普通异步电机的激磁线圈后也节约了大量的电能资源，因此目前国内大部分电动汽车生产商和国外部分车商都采用永磁同步电机作为驱动的核心（见表1）。

观察表1不难发现，欧美的主流电动车制造商都是采用异步感应电机作为驱动部件，而不是采用本文提到的永磁同步电机的方案。这是因为永磁同步电机用到的原材料价格非常昂贵，整体材料价格的50%以上都用来购买永磁材料。稀土资源是永磁材料的原材料，在国外稀土矿属于极为稀缺的资源，价格贵而且不易获得。但中国拥有的稀土资源存储量占全球70%以上，是世界著名的“稀土王国”，全世界的永磁同步电动机所需稀土材料大部分都靠我国出口，这是欧美制造商不选用永磁同步电机的主要原因，也是我国本土车企的天然优势。

2 汽车用永磁同步电机的优点和缺点

2.1 永磁同步电机的优点

1）运行效率高：磁铁提供励磁的磁场，节省励磁磁场所需的电能能源；

2）调速区间相对异步电机较大：永磁体作为励磁磁场，调整其电流、频率即可大范围调整电机功率、转速；

3）小体积、轻量化：简单的结构和构造使得永磁同步电机的制造更容易实现小型化；

4）发热小，密封性强，免维护。

2.2 永磁同步电机的缺点

1）抗震动性能差：永磁材料为钕铁硼强磁材料，材料特性硬且脆，受到强烈震动可能会破裂或震碎；

2）抗热冲击性能差：电机转子的材料为永磁体，电机在运转时间较长等因素导致的温度过高情况下会引起磁铁退磁，造成动力急剧下降。

3 汽车用永磁同步电机的技术挑战及对检验项目的影响

3.1 退磁现象

在高溫、反复震动的复杂环境下汽车用永磁同步电机极易出现严重且不可逆的退磁现象，如环境高温、热量集聚等原因导致的退磁。退磁后，电机性能会下降甚至完全不能满足工况，参照标准GB/T 18488.2-2015相应技术要求，效率特性试验项目、驱动电机的空载损耗及温升试验结果必定会受到较大影响。解决方案一种是在初始阶段进行处理，开发高磁性、高耐热性的材料，比如钕铁硼做为永磁体；第二种方案就是提升电机抗磁化，具体是降低负载最大值，增加散热措施，增加反馈频率，避免频繁启动等措施。

3.2 控制技术

永磁同步电机的磁场不同于其他电机，是由永磁体提供，磁场在外部调节非常困难。新能源汽车产业的高速发展推动了电机控制系统的进步[1]。参照标准GB/T 18488.2-2015相应技术要求，电动工况、发电工况及温升试验等受控制影响较大的试验项目的试验结果和生成曲线会受到较大影响。目前学者们已经研究了很多电机控制策略，如比例积分线性控制、直接转矩控制[2]、电流预测控制[3]等等。目前阶段的解决方法是忽略磁场控制，只进行电动机电枢控制。利用传感器、电子传输和微机控制相结合的方式来进行永磁同步电机的控制，在位置、转速、力矩的控制上做到精确管理。具体工作原理是通过永磁同步电动机的初始角、矢量控制、直接转矩控制的方式对电机的工作状态进行及时准确地调节与控制。

其中矢量控制是应用到的关键方法和技术，矢量控制的核心技术就是对定子的电流在转子旋转坐标系（d轴、q轴坐标系）中的两个分量分别进行控制。电机电磁转矩的大小由d、q轴电流分量来决定，一旦确定了输出转矩，就产生了几个不同控制组合，不同的组合将对整个系统的转矩的输出能力、效率、功率因数以及电机端电压造成很大影响。

3.3 参数变化导致的电流预测偏差

永磁同步电机无差拍电流预测的控制严重依靠电机的设计参数，当电机参数发生变化时会出现谐波量增大、电流跟不上等严重的控制问题。直接在汽车上的表现就是实际输出跟设置参数不对应，系统反馈错误，系统故障等。

标准GB/T 18488.2-2015中可靠性试验项目又细分为固定工况耐久测试和实测路况[4]两个项目，固定工况耐久测试是根据用户设定的转速扭矩工作点及时间，依照顺序连续试验；实测路况则是将整车实测的路况导入到测试程序中，实现相应转速扭矩的连续控制模拟实际路况，很明显参数变化将会直接影响到该项试验的结果。为了攻克这个关键问题，专家学者进行了以下探究，提出解决方案。第一种是用误差模型将电动机的参数进行解耦[5]，并利用卡尔曼滤波器对电机参数进行准确识别，避免参数的变化带来影响，其缺点是工作耗费时间太长；第二种是用龙伯格观测器针对预测的电压进行补偿[6]，消除了参数扰动的不利影响，利用函数代替观测器增益参数，优化了龙伯格观测器在电机运行初始阶段出现的扰动峰值问题；第三种是通过观察q轴的电压公式（1）和磁链公式（2）引入增量预测模型对其中参数进行控制。

uq =RSiq +dψq /dt-ωrψd （1）

ψq =L qiq （ 2）

式中：uq /iq ——定子的电压、q 轴电流分量；

RS ——定子绕组阻抗；

ψd /ψq ——d /q 轴定子磁链分量；

ωr ——d /q 轴转子的电角速度。

增量预测模型整体思路是依靠相邻的两个时间段预测电流值，将这两个时间段的电流值求差即可去除q 轴预测电流模型中的磁

iq （ k+1） =iq （k）（2-TR /L ）-iq （k-1）（1-TR /L ）-Tωe×[id （k）-id （k-1）]+T /L [uq （k）-uq （k-1）] （3）

式（3）中可以发现模型摆脱了磁链变化的影响，实现了无磁链增量预测控制[2]。此方法解决了磁链的相关参数缺少或者磁链相关参数完全消失情况下汽车电机依然能够正常运行，能有效抑制磁链和电感不匹配引发的不利影响。

4 汽车用电机的研究热点

因为直流电动机结构简单，并且具有很好的电磁转矩控制的特点，也容易控制，所以电动汽车最早使用的驱动电机是直流电动机，但因为其独特的换向结构，维护成本较高，并极易产生电火花造成危险，这对电动汽车无疑是致命缺陷。而后来的感应电动机和开关磁阻电动机驱动系统也因为其转速控制困难，转矩、噪声、振动、控制方式等缺陷未在汽车领域得到大力推广。永磁同步电动机驱动的控制系统具有高转矩密度、高精度控制、较好的转矩平稳性[7]以及低振动低噪声等诸多优点，结合第4章中的问题分析和解决方案，通过设计合理的控制系统能适用汽车电动机的诸多需求，因此永磁同步电动机在电动汽车驱动方面目前具有不可替代的优越性（见表2）。

作为汽车驱动系统的心脏，驱动电机的总体性能是研制技术的关键[8]，其技术的研究热点以后将主要集中在重量更轻、体积更小，提高控制及运转效率良好的抗过载能力及瞬时加速性能，提高输出转矩并降低转矩脉动，提高弱磁扩速能力几个方面。

5 结 语

经过对永磁同步电动机理论和技术的研究不难发现，制约电动汽车发展的关键因素是以电机为核心部件的驱动系统，永磁同步电机因其良好的匹配度也成为汽车领域不断深入研究的主要方向。随着永磁材料性能的提高和成本的降低、电机性能的整体提高、控制技术的趋于成熟[9]，永磁同步电动机必将在电动汽车领域有更广阔的应用前景。同时也应该对汽车用永磁同步电动机的诸多技术挑战进行潜心研究，依据标准GB/T 18488.2-2015的试验项目进行电机的整体优化，并在材料研究、转矩提高、增加效率、优化控制等方向加大投入，不断努力。

参考文献

[1]王志福，孙庆乐，李昊龙，等. 基于有限元分析的永磁同步电机实时模拟器研究[J]. 北京理工大学学报， 2021， 41（9）：918 -926.

[2]张硕，孙永禄，赵明威，等. PMSM 电流鲁棒性增量预测控制[J].北京理工大学学报， 2022， 42（10）：1073 - 1079.

[3]ZHANG X G， HOU B S， MEI Y. Dead-beat predictive current control of permanent magnet synchronous motors with stator current and disturbance observer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2017， 32（5）：3818 - 3834.

[4]电动汽车用电机系统第2 部分 试验方法： GB/ T 18488.2-2015[S].

[5]王涛， 李萧， 范伟. 基于参数辨识的永磁同步电机控制系统的设计[J]. 北京理工大学学报， 2013， 33（1）：62 - 66.

[6]ZHOU Y， ZHANG S， ZHANG C N， et al.Current prediction error based parameter identification method for SPMSM with deadbeat predictive c urrent c ontrol[J]. I EEE T ransactions o n E nergy Conversion， 2021， 36（3）：1700 - 1710.

[7]WANG P F， LI N ， S UN X J ， e t a l. Deadbeat p redictive current control for PMSM based on improved luenberger observer[C]//Proceedings of the 39th Chinese Control Conference， Shenyang，China： IEEE， 2020： 2373-2377.

[8]彭海涛，何志伟，余海阔. 电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J].微电机，2010，43（6）：78-81.

[9]代颖，王立欣，崔淑梅．电动汽车用永磁同步电机评述[J]．微电机，2005，38（3）：84-86.

作者簡介

彭蕾，硕士研究生，高级工程师，研究方向电气领域的标准研究和国际认证。

（责任编辑：袁文静）