5.2交流电动机
    1．三相异步感应电动机的结构
    三相异步感应电动机有鼠笼式异步感应电动机（简称感应电动机）和绕线式异步感应电动机两种。鼠笼式感应电动机是应用最广泛的电动机。
    三相异步感应电动机的定子和转子由层叠、压紧和硅钢片组成，两端采用铝盖封装，在转子和定子之间没有相互接触的部件，结构简单，运行可靠，经久耐用，价格低廉。
    2．三相异步感应电动机的基本性能
    三相异步鼠笼式感应电动机的功率容量覆盖面很宽广，最高转速可以达到10000～12000 r/min，可以采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并且能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量约小一半左右。三相异步感应电动机已经能够大批量的生产，有各种不同型号规格的产品供用户选用。价格便宜，维修简单方便，得到普遍的应用。
    3．三相异步感应电动机的控制系统
    在混合动力汽车上，一般采用发电机或动力电池组作为电源，三相异步感应电动机不能直接使用直流电源，另外，三相异步感应电动机具有非线性输出特性，因此，在采用三相异步感应电动机时，需要应用逆变器中的功率半导体变换器件，将直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电，来实现对三相异步感应电动机的控制，在混合动力汽车上，根据混合动力汽车的模型结构不同，通常功率电路有：交一直一交变频器系统、交一交变频器系统、直一交逆变器系统。在装有交流发电机的混合动力汽车上，根据动力系统结构模型的要求，可采用前两种变频器系统。第三种普遍应用在电动汽车上，如图39所示为三种功率电路基本形式。

    5.3永磁式电动机
    1．永磁电动机的种类
    永磁电动机有两种形式，两种永磁电动机的同步特性的区别，表现在它们的电波曲线形状上。
    （1）矩形脉冲波电流。永磁无刷直流电动机PM BDC （Permanent Magnet Brushless DCMotor）具有矩形脉冲波电流。
    （2）正弦波电流。永磁同步电动机PSM （Permanent Synchronous Motor）具有正弦波电流。
    永磁电动机的电波曲线形状是由电动机的类型及其控制系统来确定的，但由于它们是从不同类型的电动机发展而来的，因此具有不同的名称。这两种永磁电动机在结构上和工作原理上大致相同，转子都是永久磁铁，定子通过对称交流电来产生转矩，定子电枢多采用整距集中绕组。
永磁电动机的同步特性比较如图40所示。

    2．永磁电动机的结构
    按永久磁铁在永磁电动机上布置，可以将永磁电动机分为：内部永磁型IPM （InteriorPermanent Magent）、表面永磁型SPM （Surface Permanent Magnet）和镶嵌式（混合式）永磁型ISPM （insettype）几种结构形式，将永磁磁极按N极和S级顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。
    1）磁性转子的结构
    （1）内部永磁型磁性转子。内部永磁型磁性转子的磁路结构可分为：径向型磁路结构、切向型磁路结构和混合型磁路结构。
    如图41中1～5为径向型内部永磁转子的结构，径向型磁路磁性转子漏磁小，而且不需要隔离环，但它的每个磁极的有效面积约为切向型内部永磁转子的一半，为了提高径向型内部永磁转子的有效面积，多采用图41中5的截面形状。图41中6-8为切向型内部永磁转子的结构，切向型内部永磁转子会因为q轴电枢反应较强，从而减少了有效转矩，可以采用图41中8的形式，在转子上开闭口空气槽，可以改善对其转矩的影响。图41中9为混合型内部永磁转子结构。
    （2）表面永磁型磁性转子。图41中10、11、12为表面永磁型转子结构，表面永磁型转子的应用正在逐渐增多。如图42所示为表面永磁型转子永磁电动机的横截面图。



    （3）混合式永磁型磁性转子。如图43所示为一种混合式永磁型磁性转子，这种混合式永磁型磁性转子可以用嵌入永久磁铁中的励磁绕组来对磁通量进行控制，从而改变永磁电动机的机械特性。

    2）磁极的数量
    一般感应电动机的磁极数量增多以后，电动机在同样的转速下，工作频率随之增加，定子的铜损和铁损也相应增加，将导致功率因数急剧下降。磁阻电动机的磁极数量增多以后，会使电动机输出的最大转矩与最小转矩之间的差值很大，对磁阻电动机的性能影响较大，独立励磁电动机的磁极数量增多以后，将无法达到额定的转矩。而永磁电动机的磁极增加一定数量以后，不仅对电动机的性能没有明显的影响，还可以有效地减小永磁电动机的尺寸和重量。
    永磁电动机的气隙直径和有效长度，取决于电动机的额定转矩、气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数变化的影响。气隙磁通密度主要受磁性材料磁性的限制，因此需要采用磁能密度高的磁性材料。另外，在气隙磁通密度相同的条件下，增加磁极的数量，就可以减小电动机磁极的横截面面积，从而减小电动机转子铁芯的直径。如图44所示为一个四极永磁转子铁芯与一个十六极永磁转子铁芯的尺寸比较，后者的截面面积要小于前者，因此可以减小电动机的质量。增加磁通密度、改进磁路结构、减弱电枢反应和提高电动机的转速，是提高永磁电动机性能和效率的主要途径。

    3）永磁材料
    永磁电动机的永磁材料种类很多，如KS一磁钢、铁氧体、锰铝碳、铝镍钻和稀土合金等，铁氧体价格低廉，而且去磁特性接近二条直线，但铁氧体的磁能很低，使得永磁电动机的体积增大，结构很笨重。现代主要采用了稀土合金永磁材料来制造永磁电动机的磁极，它的能量密度远远超过其他永磁材料制成的磁极。钦一铁一硼（Nd-Fe-B）稀土合金的磁能积最高，有最高的剩磁和矫顽力，加工性能好，资源广泛，应用发展最快，是目前最理想的永磁材料，而且相对价格也比较低，磁极的磁性材料不同，电动机的磁通量密度也不同，磁通量密度大时，永磁电动机的体积和质量都将减小。
    采用钦一铁一硼（Nd-Fe-B）稀土合金永磁材料时，由于其在高温时磁性会发生不可逆的急速衰退，以致完全失去磁性，因此，用钦一铁一硼稀上合金永磁材料制成的永磁电动机的工作温度必须控制在150℃以下，一般在电动机上要采取强制冷却，钦-铁-硼稀土合金永磁材料要比衫一钻（Sm-Co）稀土合金具有更好的力学性能，价格也比较便宜，稀土合金永磁材料在制造中都必须进行适当加固，否则不能承受高速运转时的作用力。
    3．永磁无刷直流电动机
    （1）永磁无刷直流电动机的结构。永磁无刷电动机可以看做是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机，永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。无论是结构或控制方式，永磁直流无刷电动机与传统的直流电动机都有很多相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极；用具有多相绕组的定子取代电枢；用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。
    （2）永磁无刷直流电动机的性能。永磁无刷直流电动机在工作时，直接将方波（矩形脉冲波）电流输入永磁无刷直流电动机的定子中，控制永磁无刷直流电动机运转。矩形脉冲波电流可以使电动机获得较大的转矩，永磁无刷直流电动机的优点为效率高（比交流电动机高6%）、出力大、高速操作性能好、无电刷、结构简单牢固、免维护或少维护、体积小、质量小。输出转矩与转动惯量比值大于相类似的三相感应电动机。永磁电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机。如果输出的波形不好，会发生较大的转矩冲击式输出，影响电动机的低速性能，电流损耗大，工作噪声大。
    由于电流反馈控制的无刷直流电动机具有近似正弦气隙磁通密度和正弦定子反馈电流，所以它要比同样体积的永磁同步电动机的输出功率大15％。在相同转速的情况下，电流反馈控制的无刷直流电动机输出的转矩要比永磁同步电动机也要大15％。但无刷直流电动机的损耗、噪声和转矩波动，都比永磁同步电动机大，对无刷直流电动机的使用带来一些影响。
    （3）永磁无刷直流电动机的控制系统。永磁无刷直流电动机具有很高的功率密度和宽广的调速范围。永磁无刷直流电动机的控制系统较为复杂，有多种控制策略，在采用方波电流（实际上方波为顶宽不小于120°的矩形波）的永磁无刷直流电动机的控制则比较容易，驱动效率也最高。方波电动机可以比正弦波电动机产生大巧％左右的电功率，由于磁饱和等因素的影响，三相合成产生的恒定电磁转矩是一种脉动电磁转矩。永磁无刷直流电动机实际上是一种隐极式同步电动机，在正常运行时电枢电流磁动势与永磁磁极的磁动势在空间位置相差90°电角度。在高速运行时通过“弱磁调速”的技术来提速。
    永磁无刷直流电动机的基本控制系统，由直流电源、电容器、三相绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器、永磁无刷直流电动机（（PMBDC）、电动机转轴位置检测器（PS）、逻辑控制单元120°导通型脉宽调制信号发生器（PWM）驱动电路和其他一些电子器件共同组成。
    转轴位置检测器检测转轴位置的信号，并经过位置信号处理，将信号输送到逻辑控制单元，码盘检测电动机的转速，经过速度反馈单元、速度调节器，对电动机的运行状态进行判别，将信号输送到逻辑控制单元，经过逻辑控制单元计算后，将控制信号传送到PWM发生器。
    电流检测器按照闭环控制方式，将反馈电流进行综合，经过电流调节器调控，也将电流信号输入PWM发生器。
    由转轴位置检测器根据转角8和速度调节器，对电动机的运行状态进行判别，共同发出转子位置的信号DA、DB、DC，以及电流检测器对电流的调控信号，共同输入PWM发生器后，产生脉宽调制的信号，自动换流来改变定子绕组的供电频率和电流的大小，控制逆变器的功率开关元件的导通规律。如图45所示，逆变器的功率开关由上半桥开关元件SS3和下半桥开关元件S4-S6组成，在同一时刻只有处于不同桥臂上的一只开关元件（IGBT）被导通（例如S1和S6），电动机的电磁转矩T与开关元件导的电流成正比。

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