相信很多新能源車的車主或者打算購買新能源車的用戶都聽說過永磁同步直流電機這個名詞，因為它在市售的純電動車中使用率非常高，特别是對于那些20萬以下，續航裡程400公裡以下的純電動車型，應用非常廣泛。吉利，比亞迪，上汽榮威都有很多采用永磁同步電機的車型。那麼作為直流電機，它是怎樣實現無刷驅動的？為什麼叫同步電機？與異步電機有哪些差異？加入永磁體後性能會得到哪些提升？

■ 傳統有刷直流電機是如何驅動的？

其實在高中物理課本裡已經學過有刷直流電機的工作原理。我們小時候玩的遙控模型車和拼裝四驅車用的都是有刷直流電機。我在上一篇專欄《交流異步電機時如何實現無刷驅動的？》中也詳細介紹過這種電機的驅動原理，這裡就不展開講了。不過，還是要提幾個要點。從有刷直流電機的原理中可以看到，這種電機必須要有轉向器才能實現驅動。所謂轉向器指的就是電機的轉子每轉過180度，正負極就要對調一次。也就是說轉子每轉半圈需要讓線圈裡的電流方向反轉。所以，真正流入線圈的并不是純的直流電，而是每轉過180度需要換向的方波電流（如果把電流值和時間軸畫成波形為矩形方波）。由此可見直流電是不可能直接驅動電機運轉的，必須經過波形處理。

■ 永磁直流同步電機的結構

永磁直流同步電機與我們在課本上學的有刷電機結構不同，它是把線圈繞組作為定子，永磁體作為轉子設計的。永磁體主要采用钕鐵硼磁材料制成，由于含有稀土，所以成本非常高。不過好在中國式是世界稀土含量非常大的國家，所以大力發展電動車不會危及到國家安全。钕磁可能對很多玩音響的朋友并不陌生，如果揚聲器采用的是钕磁材料，那麼它的磁性會非常高，這就意味着很小的體積就能發出很大的聲響，并且需要高功率才能推動的低音會很震撼。所以，把钕磁用在電機當中作為永磁體同樣會極大的提升電機的功率密度，降低體積和重量。

▲永磁同步電機的結構和性能優缺點

永磁直流同步電機的定子則是由三相繞組構成。所以，轉子不通電，由定子來接通電流。要想讓電機轉動必須獲得旋轉磁場。由于轉子已經是永磁體，它的磁級是固定的，所以旋轉磁場隻能由定子繞組産生。

▲使用三相繞組的永磁直流同步電機基本結構

如果使用三相電流驅動，那麼需要在定子中有三套繞組，每套繞組布置在120度的電機殼體内壁上，三套繞組構成了完整的圓型定子。所以隻要讓這三套繞組交替通電，并且交替頻率與轉子旋轉頻率保持一緻，就能獲得旋轉磁場。這個原理與課本裡學過的有刷直流電機原理一樣，隻不過課本裡學的是用最簡單的兩相電流來驅動電機，而車用直流電機采用的是三相電流來驅動電機。

▲三相永磁同步電機的繞組布置和方波關系

■ 怎樣獲得三相（方波）電流從而驅動轉子旋轉？

傳統有刷電機采用的是轉向器來獲得兩相矩形波電流，我們知道轉向器是通過與電刷的接觸來改變電流相位的。對于無刷的永磁同步電機，則需要一套半控橋電路來獲得三相矩型波電流。這套系統是由三個功率晶體管（可以理解為電子開關）和一個轉子位置（相位）傳感器組成。每個功率晶體管連接一套繞組，轉子位置傳感器用來檢測轉子轉過的角度，轉子每轉過120度，前一個通電的繞組在功率晶體管的控制下斷電，後一個繞組通電，這樣交替往複循環。不過在實際設計中考慮到運動慣性，會把這個角度設定為130度，這類似于汽油發動機的配氣疊加角一樣，為了讓轉子更加順暢的運行，繞組通電頻率與轉子旋轉（相位）頻率完全一緻，在轉子位置傳感器的控制下，實現閉環控制。這就是為什麼把這種電機叫做同步電機的原因。因為轉子轉速和相位與繞組旋轉磁場在任何轉速、任何情況下始終保持一緻，所以叫做同步電機。

▲虛線框内為半控橋電路，由V1 V2 V3三個電子開關構成，用來獲得三相方波電流

本質上講，雖然給電機接入的是直流電，但是在半控橋電路和轉子位置傳感器的作用下，把隻有正負兩極的直流電轉換成了有三個正負級的三相直流電，并且由轉子位置傳感器控制三個繞組依次通電，從而獲得旋轉磁場。這樣通過控制接入的電壓或電流的大小就可以實現電機的調速。

▲方波電流與轉子轉角相位的同步關系

■ 永磁直流同步電機的性能優勢

由于車用的電池包輸出的是高電壓的直流電，所以相比交流異步電機，永磁直流同步電機不需要大功率的逆變器把直流電轉換成正弦波的交流電——畢竟這個轉換過程是會造成一定程度的電能損失的。所以在這方面，永磁直流同步電機就提高了電池電量的使用效率。

轉子采用永磁體結構，所以轉子本身自帶磁場，不需要像交流異步電機那樣靠額外的感應電流産生磁場，也就是說轉子不需要用電來生磁，所以能耗要低于交流異步電機。

采用了稀土作為高磁性材料後，轉子重量得到減輕，電機的功率密度得到提升。所以同樣功率情況下，永磁直流同步電機重量更輕體積更小，并且轉子的響應速度更快。

■ 永磁直流同步電機的性能不足

由于永磁體的磁性有限，不能無止盡的增加磁場強度，所以最大功率要低于交流異步電機。另外，稀土材料價格很高，永磁直流同步電機成本并不便宜，如果想做到非常大的功率就要設計足夠大的永磁體，那麼成本将會極大的上升。所以往往永磁同步直流電機功率都不會做得非常大，而且主要使用在講究電能使用效率的經濟型電動車當中。

永磁體還有一個性能缺點就是高溫容易退磁，所以不适合使用在工作溫度高、工作環境惡劣的車型上。對于性能要求較高的高檔車，往往采用交流異步電機的較多。當然也有永磁同步電機和交流異步電機混合使用的車型，我會在後續的專欄當中與大家分享。

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