第三节　电动汽车的电动机

驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串励电动机，这种电动机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。

电动汽车电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。

一、电动汽车电动机的运行模式

电动汽车的电动机可兼作电动和发电运行。

1.电动模式

在电动模式时电动机将电能转换成机械能。

①逆变器从电池获取功率，电池放电。

②电动机从逆变器获取电功率。

③电动机输出机械能，电动机扭矩与转速同向，电动机推动车辆。

2.发电模式

发电模式时电动机将机械能转换成电能。

①车辆带动电动机，电动机力矩与转速反向，轴上输入机械能。

②电动机输出电能。

③逆变器输出直流电，电池充电。

二、电动汽车驱动电动机与工业用电动机的区别

用于电动汽车的驱动电动机与常规的工业电动机不同。电动汽车的驱动电动机通常要求频繁的启动/停车、加速/减速，低速行驶或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大；而工业电动机通常优化在额定的工作点。因此，电动汽车驱动电动机比较独特，应单独归为一类，对它们在负载要求、技术性能和工作环境等方面有着特殊的要求。电动汽车驱动电动机与工业用电动机的区别如下。

①电动汽车驱动电动机需要有4～5倍的过载，以满足短时加速或爬坡的要求；而工业电动机只要求有2倍的过载就可以了。

②电动汽车的最高转速要求达到在公路上巡行时基本速度的4～5倍，而工业电动机只需要达到恒功率是基本速度的2倍即可。

③电动汽车驱动电动机需要根据车型和驾驶人的驾驶习惯设计，而工业电动机只需根据典型的工作模式设计。

④电动汽车驱动电动机要求有高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速范围和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；而工业电动机通常对功率密度、效率和成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。

⑤电动汽车驱动电动机要求工作可控性高、稳态精度高、动态性能好；而工业电动机只有某一种特定的性能要求。

⑥电动汽车驱动电动机被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动等恶劣环境下。而工业电动机通常在某一个固定位置工作。

三、直流电动机

要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电动机应具有较宽的调速范围及较高的转速、足够大的启动扭矩，还要具有体积小、质量轻、效率高、动态制动性强和能量回馈的性能。目前在电动汽车上已应用的和有应用前景的电动机有直流电动机、交流电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机。还有不少研究机构正在研究超导电动机在电动汽车上的应用。表1-3为电动汽车用电动机的性能比较。

1.直流电动机的构造

直流电动机主要由机座、电枢、主磁极、换向磁极、换向器、刷架、端盖、风扇、出线盒组成，如图1-89所示。其构造简图如图1-90所示。其中静止部分叫作定子；转动部分叫作电枢或转子。

（1）定子

定子由机座、主磁极、励磁绕组、端盖和电刷装置组成。

①机座。机座用来固定主磁极电刷架和端盖等部件，起支撑、保护作用，与主磁极铁芯、磁轭、电枢铁芯一起构成电动机的磁路，磁通通过整个磁路的情形如图1-91中的虚线所示。它是用铸铁、铸钢或钢板制成的。

②主磁极。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁芯和励磁绕组两部分组成。铁芯一般用0.5～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极掌两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极掌，极掌宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁芯上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图1-92所示。

③电刷装置。电刷装置用来引入或引出直流电压和直流电流，它由刷握、电刷、压紧弹簧和铜丝辫等组成，如图1-93所示。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，以使电刷与换向器之间有良好的滑动接触。电刷盒固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。常常把若干个电刷盒装在同一个绝缘的刷杆上。在电路连接上，把同一个绝缘刷杆上的电刷盒并联起来，称为一组电刷。一般的直流电动机中，电刷组的数目可以用电刷杆数表示，电刷杆数与电动机的主磁极数相等。

各电刷杆在换向器外表面上沿圆周方向均匀分布，正常运行时，电刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置，如果电刷杆的位置放得不合理，将直接影响电动机的性能。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定，如图1-94所示。

（2）转子

直流电动机的转子（电枢）主要由电枢铁芯和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，其结构如图1-95所示。

①电枢铁芯。电枢铁芯的作用有两个：一个是作为主磁路的主要部分；另一个是嵌放电枢绕组。由于电枢铁芯和主磁场之间的相对运动会在铁芯中引起涡流损耗和磁滞损耗（这两部分损耗合在一起称为铁芯损耗，简称“铁耗”），为了减少铁耗，电枢铁芯通常用0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成，并固定在转轴上。电枢铁芯沿圆周有均匀分布的槽，里面可嵌入电枢绕组，如图1-96所示。

②电枢绕组。电枢绕组由许多按一定规律排列和连接的线圈组成，它是直流电动机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键性部件。

线圈用包有绝缘的圆形和矩形截面导线绕制而成，亦被称为“元件”，每个元件有两个出线端。电枢线圈嵌放在电枢铁芯的槽中，每个元件的两个出线端以一定规律与换向器的换向片相连，构成电枢绕组。

③换向器。换向器也是直流电动机的重要部件。在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。换向器安装在转轴上，与转轴过盈配合，主要由许多换向片组成，片与片之间用云母绝缘，换向片数与元件数相等，如图1-97所示。

2.直流电动机的运行原理

直流电动机是利用通电导体在磁场中受力这一基本原理制成的。

直流电动机的物理模型如图1-98所示，图中N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电动机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。

电刷A、B接上直流电源，于是在线圈abcd中有电流流过，电流的方向如图1-98所示。根据电磁力定律可知，载流导体ab、cd上受到的电磁力F为

Fdc=BIl

式中，B为导体所在处的气隙磁密度，Wb/m2；l为导体ab或cd的长度m；I为导体中的电流，A。

导体受力的方向用左手定则确定，导体ab的受力方向是从右向左，导体cd的受力方向是从左向右（见图1-98）。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个力矩，这个力矩在旋转电动机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针，企图使电枢按逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其他负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。这时导体cd的受力方向变为从右向左，导体ab的受力方向变为从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。

3.直流电动机的分类

直流电动机按励磁方式的不同可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机等。汽车上常用的有并励直流电动机和串励直流电动机。

（1）并励直流电动机

这种电动机的励磁绕组同电枢并联，如图1-99所示，其励磁绕组称为并励绕组。由于并励绕组承受着电枢两端的全部电压，其值较高，为了减小它的铜损失，并励绕组必须具有较大的电阻以减小励磁电流。因此，并励绕组的匝数较多，用较细的导线绕成。

（2）串励直流电动机

这种电动机的励磁绕组同电枢绕组串联，如图1-100所示，其励磁绕组称为串励绕组。为了减小其电压降及铜损失，串励绕组应具有较小的电阻。因此，它总是用截面积较大的导线绕成，而匝数较少。

4.直流电动机的启动、调速和反转

（1）直流电动机的启动

将静止不动的电动机的电路与电源接通，使电动机的转动部分旋转起来，最后达到正常运转，称为电动机的启动。如果不用任何启动设备而是将电动机直接往电源上连接，这种启动方法称为直接启动，其启动电流很大。因为当电动机刚与电源接通时，由于电枢还没有旋转，所以反电动势等于零，此时通过电枢的电流（即启动电流）应为

式中　Iq——启动电流，A；

U——启动电压，V；

Ef——反电动势，V；

Rs——电枢内阻，Ω。

由于电枢内电阻很小，外加电压又是额定值，因此电动机在直接启动时的电枢电流将比额定电流大十几倍，甚至几百倍。这样大的电流会使换向器上产生强烈的火花，可能把换向器烧坏。因此，启动时必须在电枢电路中串联一个启动变阻器来减小启动电流，如图1-101所示。为了获得较大的启动转矩而又不至于使换向器受到损伤，通常把启动电流限制为电枢额定电流的1.5～2.5倍。

在启动过程中，随着电动机转速的增加，电枢电流逐渐减少，启动电阻也应逐步减小。待电动机转速达到额定值时，启动电阻应减小到零。

此外，在启动时，还应把励磁电路中的磁场变阻器R放在电阻最小的位置，以使磁通最大，这样，就可使电动机产生足够大的启动转矩，并使反电动势增加较快，以缩短启动过程。

（2）直流电动机的调速

由并励直流电动机的转速公式可知，电动机的转速有三种调节方法：

①改变供电线路的电压U。这种方法的调速范围很广泛，但必须有专用的直流电源。采用发电机-电动机组以及可控硅整流电路都能得到可调节的电压。

②改变电枢线路的电压降。在电枢电路中串联一调速变阻器Rq可降低加在电枢上的电压，如图1-102所示。如把Rq增大，则电阻电压降增大，转速下降。这种方法因电枢电流较大，使得调速变阻器本身要消耗大量的功率，因而不经济。

③改变磁极磁通。在励磁电路中串接一磁场变阻器可调节电动机转速，如图1-103所示。如把磁场变阻器的阻值增加，则励磁电流减小，磁通也随之而减小，电动机的转速便升高。通常励磁电路中的电流很小，在调速过程中磁场变阻器的能量损失也较小，比较经济，因而这种调速方法在电力调节中应用甚广。

如果串励电动机也采用改变磁通的方法来调节转速，则磁场变阻器必须与串励绕组并联，如图1-104所示。当把磁场变阻器的阻值减小时，通过变阻器的电流增大，而通过串励绕组的电流减小，其所产生的磁通也随着减小，转速升高。

（3）直流电动机的反转

电动机的旋转方向是由电枢绕组的导体在磁场中的受力方向决定的。改变电枢电流的方向或者改变磁场电流的方向，便可使直流电动机反转。具体方法是：将连接于电源上的电枢两端反接，或者将励磁绕组两端反接。如图1-105所示，如果同时改变两电流的方向，则旋转方向仍旧不变。

四、三相异步电动机

1.三相异步电动机的结构

三相异步电动机的种类虽然很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、风扇、风扇罩、接线盒、吊环等其他附件，如图1-106所示。

（1）外壳

外壳是三相异步电动机机械结构的重要组成部分，它由端盖、轴承、接线盒和吊环等组成。通常，外壳的外表都铸有散热片，以扩大散热面积，有利于电动机散热，从而降低绝缘等级和制造成本。轴承盖是由铸铁或铸钢浇铸成形的，它的作用是不让转子有过大的轴向移动，另外，它还起存储润滑脂和保护轴承的作用，防止微尘或脏物进入轴承加速轴承的磨损，从而延长电动机的使用寿命。接线盒一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端。吊环一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相异步电动机。

（2）定子

定子是用来产生旋转磁场的，三相交流异步感应电动机的定子由定子铁芯、定子绕组等部分组成。

①定子铁芯。交流异步感应电动机的定子铁芯是电动机磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚的表面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，如图1-107所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁芯涡流损耗。铁芯内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕组。

②定子绕组。定子绕组是三相异步电动机的电路部分，三相异步电动机有三相绕组，通入三相对称交流电流时，就会产生旋转磁场。

三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干个线圈连接而成。每个绕组称为一相，三个绕组在空间互相间隔120°。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中小型三相异步电动机多采用圆漆包线，大中型三相异步电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁芯线槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1、V1、W1，末端分别标为U2、V2、W2。这六个出线端在接线盒里的排列如图1-108所示，可以接成星形（Y形）或三角形。

（3）转子

异步电动机的转子分为绕线形与笼形两种，对应的电动机分别称为绕线异步感应电动机与笼形异步感应电动机。

①绕线异步感应电动机转子。绕线异步感应电动机转子是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁芯相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。绕线异步感应电动机与定子绕组一样，也是有一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻以改善电动机的运行性能，如图1-109所示。

②笼形异步感应电动机转子。在转子铁芯的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如图1-110（a）所示；也可用浇铸的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图1-110（b）所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。

（4）其他部分

其他部分包括轴承、风扇等。风扇是用来通风冷却电动机的。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙一般仅为0.2～1.5mm。气隙不能太大，气隙大时产生的气隙转矩小，会使电动机运行时的功率因数降低；也不能太小，气隙太小时会引起装配困难，如果内有异物或转轴有径向窜动时容易卡堵，运行不可靠，高次谐波磁场增强，引起附加损耗以及启动性能变差。

2.三相异步电动机的工作原理

图1-111给出了一对磁极（P=1）交流电动机在三相交流电的作用下，定子上形成的旋转磁场。设将定子三相绕组连成星形接法，三相绕组的首端U1、V1、W1分别与三相交流电的相线A、B、C相连接。为了讨论方便，选定交流电在正半周时电流从绕组的首端流入，从末端流出；反之，在负半周时，电流流向相反。定子绕组在三相交流电不同相位时合成旋转磁场。当ωt=0°时，A相电流为零；B相电流为负值，电流由V2端流进，由V1端流出；C相电流为正，电流由W1端流进，由W2端流出。根据右手螺旋法则，可以判定出此时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向。当ωt=90°时，此时A相电流为正，电流由U1端流入，由U2端流出；B相为负，电流由V2端流进，由V1端流出；C相为负，电流由W2端流入，由W1端流出，这一时刻合成磁场已沿顺时针方向在空间转过了90°。同理，可分别得出ωt=180°、ωt=270°和ωt=360°时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向，其中ωt=360°时与ωt=0°时的合成磁场方向相同。

由此可见，电流变化一个周期，合成磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。从上述分析可知，三相电流通过定子绕组所产生的合成磁场是随电流的交变而在空间旋转的磁场。这种旋转磁场与蹄形磁铁在空间旋转所起的作用是相同的。

在交流异步电动机中，定子绕组流过依次相差120°相位角的三相交流电时，将产生旋转磁场。该旋转磁场在转子绕组中产生感应电动势，因为绕组是闭合回路，所以将产生感应电流，有电流的绕组导体在旋转磁场中产生电磁力，对转轴形成电磁转矩带动转轴转动。

五、永磁无刷直流电动机

高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电动机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研制的关键技术之一。20世纪80年代以前，几乎所有的车辆牵引电动机均为直流电动机，这是因为直流牵引电动机具有起步加速牵引力大、控制系统较简单等优点。直流电动机的缺点是有机械换向器，当在高速、大负载下运行时，换向器表面会产生火花，所以电动机的运转速度不能太高。由于直流电动机的换向器需保养，又不适合高速运转，除小型车外，目前一般已不采用。

永磁电动机与原有的直流牵引电动机系统相比具有明显优势，其突出优点是体积小、质量轻（其比质量为0.5～1.0kg/kW）、效率高、基本免维护、调速范围广、功率密度高、转子转动惯量小、电枢电感小、运行效率高以及转轴上无滑环和电刷等，在电动汽车上得到了广泛应用。

永磁电动机就是采用永磁材料来替代传统电动机的励磁绕组（或转子绕组）的电动机。永磁电动机分为永磁交流同步电动机和永磁直流电动机两种。

如果将直流电动机的直流励磁绕组用永久磁铁代替，该电动机就称为永磁直流电动机。为了克服磁通量不变的缺点，又在其永磁定子中嵌入了激励磁场的电磁绕组，称为永磁复合式电动机，它的特点是既有永磁体又有励磁绕组。

对于交流异步电动机，若采用永磁体取代其鼠笼式感应转子，则相应的异步电动机就称为永磁同步电动机。为了克服磁通量不变的缺点，又在其转子中嵌入了异步电动机的鼠笼式电磁绕组，称为永磁复合式电动机，它的特点是既有永磁体又有鼠笼式绕组。

永磁直流电动机分永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机。永磁有刷直流电动机广泛应用于小型电器之中。由于电刷和换向器的存在，永磁有刷直流电动机在维修、制造等方面都比永磁无刷直流电动机复杂；在应用中的换向火花、机械噪声等也使它难以在恶劣的环境下使用。而永磁无刷直流电动机由于没有电刷，弥补了永磁直流电动机和传统直流电动机的缺陷。因此永磁无刷直流电动机越来越多地被应用在伺服系统、数控机床、变频空调以及电动汽车中。

1.永磁无刷直流电动机的结构

永磁无刷直流电动机主要由电动机本体、转子位置传感器和电子开关驱动电路三部分组成。三相对称电枢绕组安放在定子上，转子上的电枢绕组用稀土永磁材料（钐钴、钕铁硼）取代。对于高速永磁无刷直流电动机，还需要加装非磁性护环，其结构如图1-112所示。

（1）永磁无刷电动机定子

永磁无刷电动机定子绕组的主要电气参数、绕组形式与绕线式三相同步电动机的定子绕组一样，通入交流电源即产生旋转磁场，如图1-113所示。

（2）永磁无刷电动机转子

永磁无刷电动机转子采用径向永久磁铁作磁极，如图1-114所示。在旋转磁场的作用下，转子将跟随旋转磁场同步旋转，旋转磁场的速度取决于电源频率。与三相交流电动机的同步电动机类似，永磁无刷电动机可以产生理想的恒转矩。

根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁无刷电动机可分为表面式、内置式和镶嵌式等几种结构形式，如图1-115所示。表面式电动机的优点是结构简单，由于永磁体的磁导率接近空气的磁导率，所以永磁电动机有较大的有效气隙，电枢反应降低。内置式电动机有较高的磁显性，可产生额外的磁阻转矩分量，保持高速运行时的机械稳定性。镶嵌式电动机的永磁体可以有多种镶嵌方式，其性能介于表面式电动机和内置式电动机之间。

（3）转子位置传感器

如图1-116所示，转子位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。

转子位置传感器的种类较多，且各具特点。在无刷直流电动机中常见的位置传感器有电磁式位置传感器、接近开关式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。

电磁式位置传感器在无刷直流电动机中用得较多的是开口变压器，它由定子和跟踪转子两部分组成。定子一般有六个极，它们之间的间隔均为60°，其中三个极上绕一次绕组，并相互串联后通以高频电源；另外三个极分别绕上二次绕组WA、WB、WC，它们之间分别相隔120°。跟踪转子是一个用非导磁材料做成的圆柱体，它上面镶了一块120°的扇形导磁材料。在安装时将它与电动机转轴相连，其位置对应于某一磁极。一次绕组所产生的高频磁通通过跟踪转子上的导磁材料耦合到二次绕组上，故在二次绕组上产生感应电压，而另外两相二次绕组由于无耦合回路同一次绕组相连，其感应电压基本为零。随着电动机转子的转动，扇形片也跟着旋转，使之离开当前耦合的一次绕组而向下一个一次绕组靠近。这样，随着电动机转子的运动，在开口变压器二次绕组上分别感应出电压。扇形导磁片的角度一般略大于120°电角度，常采用130°电角度。在三相全控电路中，为了换相译码器的需要，扇形导磁片的角度为180°电角度。同时，扇形导磁片的个数应同无刷直流电动机的极对数相等。

接近开关式位置传感器主要由谐振电路及扇形金属转子两部分组成。当扇形金属转子接近振荡回路电感L时，电路的Q值（谐振电路的品质因数）下降，导致电路正反馈不足而停振，故输出为零；当扇形金属转子离开电感元件L时，电路的Q值开始上升，电路又重新起振，输出高频调制信号，经二极管检波后，取出有用控制信号，去控制逻辑开关电路，以保证电动机正确换向。

光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。

磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的磁敏式传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。

霍尔元件产生的电动势很低，直接应用很不方便，实际应用时采用霍尔集成电路。霍尔元件输出电压的极性随磁场方向的变化而变化，无刷直流电动机的位置传感器选用开关型霍尔集成电路。

磁阻效应是指元件的电阻值随磁感应强度而变化。根据磁阻效应制成的传感器叫磁阻电阻。

（4）电子开关驱动电路

如图1-116所示，永磁无刷直流电动机的定子绕组是由电子开关驱动电路中的“外部换向器”（逆变器）接到直流电源上的，可以把它归为直流电动机的一种。从逆变器的角度来看，永磁无刷直流电动机电枢绕组中的电流变化是靠电子开关驱动电路来完成的，其频率与转速变化一致，所以它又属于永磁同步电动机的一种。它和正弦永磁同步电动机的主要区别在于：无刷直流电动机电枢绕组中流过的电流以方波形式变化，故又称为“方波交流永磁电动机”。因此其工作原理与永磁同步电动机相同。

电子开关驱动电路主要由高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等组成全桥或半桥开关驱动电路。

2.永磁无刷电动机的转动原理

由图1-113（a）可知，当定子的A、B、C相按时序分别通一电流时，定子A、B、C相的磁场就会按一定方向旋转，因此永久磁铁就可旋转。常见的永磁无刷电动机的定子为三相对称绕组［见图1-113（b）］，与三相异步电动机的结构相同。转子上有稀土永磁铁。驱动器为交-直-交电压型逆变器，通过正弦波脉宽调制（PWM），输出频率为f、电压可变的三相正弦波电压。三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场的转速n1=2πf/p（p为磁极对数），这个旋转磁场与永磁体转子作用带动转子与旋转磁场同步旋转，并力图使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线落后定子磁场轴线一个功率角θ，功率角θ与负载成正比，负载越大功率角就越大，直到功率角大到足以使转子停止不转动为止。由此看出，永磁无刷电动机在运行时，其转速必须与频率严格成比例旋转，否则就会失步停转。所以，永磁无刷电动机的转速与旋转磁场同步，其静态误差为零。在负载扰动下，只是功率角在变化，而转速不变，响应时间是实时的，这是永磁无刷电动机的运行特点。但当功率角处于某一特定值时，电动机会因失步而停转。因此，该电动机不适合在重负载情况下使用，也不易快速启动。

3.永磁无刷直流电动机的驱动过程

如图1-116所示，三相两极无刷直流电动机的三相定子A、B、C绕组分别与电子开关驱动电路中相应的功率管V1、V2、V3相连接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。

当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而其起到了机械换向器的换向作用。

无刷直流电动机半控桥电路的原理如图1-117所示。此图采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装位置各相差120°，均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。

当转子位于图1-118（a）所示的位置时，此时光电器件VP1被光照射，从而使功率晶体管V1呈导通状态，电流流入绕组A—A'，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图1-118（a）中箭头方向转动。当转子磁极转到图1-118（b）所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截止、晶体管V2导通，绕组A—A’断开，电流流入绕组B—B'，使得转子磁极继续朝箭头方向转动。当转子磁极转到图1-118（c）所示的位置时，此时旋转遮光板已经遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截止、晶体管V3导通，因而电流流入绕组C—C'，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图1-118（a）的位置。

这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360°电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120°电角度。各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系见图1-118。图1-118（a）为第一种状态，Fa为绕组A—A’通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用使转子沿顺时针方向旋转；转过120°电角度后，便进入第二种状态，这时绕组A—A’断电，而B—B’随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了120°，如图1-118（b）所示，电动机定子继续沿顺时针方向旋转；再转120°电角度，便进入第三种状态，这时绕组B—B’断电、C—C’通电，定子绕组所产生的磁场又转过了120°电角度，如图1-118（c）所示；转子沿顺时针方向再转过120°电角度后就恢复到初始状态。三相两极无刷直流电动机各相绕组导通顺序的示意图如图1-119所示。

六、开关磁阻电动机

开关磁阻电动机（SRM）是一种典型的机电一体化电动机，又称“开关磁阻电动机驱动系统（SRD）”，这种电动机主要由开关磁阻电动机本体、电力电子功率变流器、转子位置传感器以及控制器四部分组成，如图1-120所示。

开关磁阻电动机具有结构简单、转子转动惯量小、成本低、动态响应快等优点。其容量可设计成几瓦到几兆瓦。系统的调速范围也较宽，可以在低速下运行，也可以在高速场合下运行（最高转速可达15000r/min）。除此之外，开关磁阻电动机在运行效率、可靠性等方面均优于感应电动机和同步电动机，可以在散热条件差、存在化学污染的环境下运行。

1.开关磁阻电动机的结构

（1）开关磁阻电动机本体的结构

开关磁阻电动机本体采用定、转子双凸极结构，单边励磁，即仅定子凸极采用集中绕组励磁，而转子凸极上既无绕组也无永磁体；定、转子均由硅钢片叠压而成；定子绕组径向相对的极串联，构成一相。其结构原理如图1-121所示。

开关磁阻电动机的定子与转子结构如图1-122所示。开关磁阻电动机的定子与转子相数不同，有多种组合方式，最常见的有三相6/4极结构、三相6/8极结构和三相12/8极结构，如图1-123所示。

三相6/4极结构说明电动机定子有6个凸极，转子有4个凸极，在定子相对称的两个凸极上的集中绕组互相串联，构成一相，相数=定子凸极数/2。转子上没有绕组，定子上有6个凸极的称为3相开关磁阻电动机，定子上有8个凸极的称为4相开关磁阻电动机。相数越多，步进角越小，运转越平稳，越有利于减小转矩波动，但控制越复杂，导致主开关器件增多和成本增加。步进角的计算方法为：步进角α=360°×2/（定子极数×转子极数），如四相8/6极电动机，其步进角α=360°×2/（8×6）=15°。低于三相的开关磁阻电动机一般没有自启动能力。目前应用较多的是三相、四相和五相结构。

图1-124（a）、（b）、（c）分别为三相6/4凸极结构、三相12/8凸极（双绕组）结构和四相8/6凸极结构的开关磁阻电动机的定子和转子结构的剖面示意图。

（2）转子位置传感器

转子位置传感器有霍尔式、电磁式、光电式和磁敏式多种，常设在电动机的非输出端，如图1-125所示。

光电式位置检测器由齿盘和光电传感器组成。齿盘截面和转子截面相同，装在转子上，光电传感器装在定子上。当磁盘随转子转动时，光电传感器检测到转子齿的位置信号。

转子位置的检测原理如图1-126所示。其中图1-126（a）是一个四相8/6极电动机的位置检测器，它只设置SP和SQ两个传感器，它们空间相差15°，磁盘上有间隔30°的六个磁槽，检测到的基本信号如图1-126（b）所示。

位置传感器的引入增加了开关磁阻电动机结构的复杂性，影响了其可靠性，因此人们正致力于研究无传感器方案，通过检测相电感来获取转子位置信息，这已被公认是非常有意义的研究方向。

2.开关磁阻电动机的电力电子功率变流器的主电路

开关磁阻电动机的电力电子功率变流器为开关磁阻电动机的运行提供电能，在整个开关磁阻电动机系统的成本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换器是提高开关磁阻电动机性能价格比的关键之一。功率变换器主电路形式的选取对开关磁阻电动机的设计也直接产生影响，应根据具体性能、使用场所等方面综合考虑，给出最佳组合方案。开关磁阻电动机常用的功率变换器主电路有许多种，应用最普遍的有三种，如图1-127所示。

图1-127（a）所示的主电路为单电源供电方式，每相有两个主开关器件，工作原理简单。导通模式有三种：两个主开关同时导通，绕组获得正向电源，电流增加；一个主开关器件导通；两个主开关同时关断。这种主电路中主开关承受的额定电源电压为Ud。它可用于任何相数、任何功率等级的情况下，在高电压、大功率场合下有明显的优势。

图1-127（b）所示的主电路特点是每相必须有两个绕组，其中一个绕组与开关管串联，另一个通过续流二极管串联，两个绕组完全耦合（通常采用双股并绕）。工作时，电源通过开关管向绕组供电，开关管关断后，磁场储能通过续流二极管向电源回馈。开关管承受的最大工作电压为2Ud。

图1-127（c）所示的主电路为裂相式电路，以对称电源供电。每相只有一个主开关，上桥臂从上电源吸收能量，并将剩余的能量回馈到下电源，或从下电源吸取能量，将剩余的能量回馈到上电源。因此，为保证上、下桥臂电压的平衡，这种主电路只能使用于偶数相电动机。主开关正常工作时的最大反向电压为Ud。每相绕组导通时绕组两端的电压仅为Ud/2。

3.开关磁阻电动机的转动原理

由图1-121可知，当A相绕组电流控制开关K1、K2闭合时，A相通电励磁，所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线aa与定子极轴线AA的重合位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。若顺序给A、B、C、D相绕组通电，则转子便按逆时针方向连续转动起来；若依次给B、A、D、C相绕组通电，则转子会沿顺时针方向转动。在多相电动机的实际运行中，也常出现两相或两相以上绕组同时导通的情况。当某一相中的定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子极距。

4.永磁式开关磁阻电动机

为了克服开关磁阻电动机的固有弱点，除提高控制装置及控制软件的设计水平外，在电动机本身结构上也要进行改进。在上述开关磁阻电动机定子轭部对称地嵌入高性能的钕铁硼永磁体，永磁体磁场与各相绕组的磁场共同组成新型电动机磁场，形成永磁式开关磁阻电动机（PMSRM）。其基本结构、磁通和反电动势如图1-128所示。

永磁式开关磁阻电动机也称为“双凸极永磁电动机”，可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电动机在磁阻转矩的基础上叠加了永磁转矩，永磁转矩的存在有助于提高电动机的功率密度和减小转矩脉动，以利于它在电动车辆驱动系统中的应用。它可以加速绕组换流速度，减小波动，提高能量利用率。

永磁式开关磁阻电动机的工作原理是：永磁体产生的磁通在凸极相对齐时最大，在一凸极对一极槽时最小，而定子绕组所产生的磁通与原先的一样，两种磁通叠加之后共同作用于转子，驱使电动机转子转动。如果在给定子绕组单独通电时不考虑永磁体的磁场作用，将给绕组磁通回路带来较大的磁阻，减小定子绕组电感，这也给电动机相间快速换流提供了有利条件。所以改进后的永磁式开关磁阻电动机体积变小，效率更高，稳定性更好。当前，双凸极永磁电动机是研究的热门，其被做成外转子型轮毂驱动方式。

七、轮毂电动机

电动汽车采用的轮毂式电动机驱动属于分散式电动机驱动模式。分散电动机驱动通常有轮毂电动机和轮边电动机两种方式。所谓轮边电动机驱动模式，是指每个驱动车轮由单独的电动机驱动，但是电动机不是集成在车轮内，而是通过传动装置（例如传动轴）连接到车轮。轮边电动机驱动模式的驱动电动机属于簧载质量范围，悬架系统隔振性能好。但是，安装在车身上电动机对整车总布置的影响很大，尤其是在后轴驱动的情况下。而且，由于车身和车轮之间存在变形运动，其对传动轴的万向传动也具有一定的限制。

1.轮毂电动机的结构形式

轮毂电动机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。图1-129所示为电动摩托车的轮毂电动机结构。轮毂电动机动力系统根据电动机的转子形式主要分成内转子型和外转子型两种结构，如图1-130所示。通常，外转子型采用低速外转子电动机，电动机的最高转速为1000～1500r/min，无任何减速装置，电动机的外转子与车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电动机相同。内转子型则采用高速内转子电动机，同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度，电动机的转速通常高达10000r/min。减速机构通常采用传动比在10:1左右的行星齿轮减速装置，车轮的转速在1000r/min左右。

高速内转子轮毂电动机的优点是比功率高、质量轻、体积小、效率高、噪声小、成本低；缺点是必须采用减速装置，效率降低，非簧载质量增大，电动机的最高转速受线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制。低速外转子轮毂电动机的优点是结构简单、轴向尺寸小、比功率高、能在很宽的速度范围内控制转矩、响应速度快、外转子直接和车轮相连、没有减速机构、效率高；缺点是如要获得较大的转矩，必须增大电动机体积和质量，因而成本高，加速时效率低，噪声大。这两种结构在目前的电动车中都有应用，但是随着紧凑的行星齿轮变速机构的出现，高速内转子式驱动系统在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。

轮毂电动机动力系统由于电动机电制动容量较小，不能满足整车制动效能的要求，通常需要附加机械制动系统。轮毂电动机系统中的制动器可以根据结构采用鼓式或者盘式制动器。电动机电制动容量的存在往往可以使制动器的设计容量适当减小。大多数的轮毂电动机系统采用风冷方式进行冷却，也有的采用水冷和油冷的方式对电动机、制动器等的发热部件进行散热降温，但结构比较复杂。

2.轮毂电动机的分类及特点

（1）轮毂电动机的分类

轮毂电动机根据工作原理可分为永磁式、感应式、开关磁阻式。

轮毂电动机系统的驱动电动机按照电动机磁场的类型分为径向磁场和轴向磁场两种类型。

①轴向磁场电动机的结构利于热量散发，并且它的定子可以不需要铁芯。

②径向磁场电动机的定转子之间受力比较均衡，磁路由硅钢片叠压得到，技术更简单成熟。

（2）轮毂电动机的特点

①感应（异步）式电动机的优点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、不需要位置传感器、转速极限高；缺点是驱动电路复杂、成本高，相对于永磁电动机而言，异步电动机效率和功率密度偏低。

②无刷永磁同步电动机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种电动车辆中获得应用。

③开关磁阻式电动机的优点是结构简单、制造成本低廉、转速/转矩特性好等，适用于电动汽车驱动；缺点是设计和控制非常困难、运行噪声大。

法国TM4公司设计制造的一体化轮毂电动机结构如图1-131所示。它采用外转子式永磁电动机，电动机转子外壳直接与轮辋相固结，是车轮轮辋的组成部分，而且电动机转子与鼓式制动器的制动鼓集成在一起，实现电动机转子、轮辋以及制动器三个回转运动物体的集成，大大减轻了一体化轮毂电动机系统质量，集成化程度相当高。该一体化轮毂电动机系统的永磁无刷直流电动机的额定功率为18.5kW，峰值功率可达到80kW，峰值扭矩为670N·m，额定转速为950r/min，最高转速为1385r/min，而且额定工况下的平均效率可达到96.3％。

3.采用轮毂电动机驱动系统的电动汽车特点

（1）分散式电动机驱动模式的优点

①以电子差速控制技术实现转弯时内外车轮不同的转速运动，而且精度更高。

②取消机械差速装置有利于动力系统减轻质量，提高传动效率，降低传动噪声。

③有利于整车总布置的优化和整车动力学性能的匹配优化。

④降低对电动机的性能指标要求，且具有可靠性高的特点。

（2）分散式电动机驱动模式的缺点

①为满足各轮运动协调，对多个电动机的同步协调控制要求高。

②对电动机的分散安装提出了结构布置、热管理、电磁兼容以及振动控制等多方面的技术难题。

（3）轮毂电动机驱动模式的优点

①可以完全省略传动装置，整体动力利用效率大大提高。

②轮毂电动机使得整车总布置可以采用扁平化的底盘结构形式，车内空间和布置自由度得到极大的改善。

③车身上几乎没有大功率的运动部件，整车的振动、噪声和舒适性得到极大改善。

④便于实现四轮驱动形式，有利于极大改善整车的动力性能。

⑤轮毂电动机作为执行元件，利用响应速度快和准确的优点便于实现包括线控驱动、线控制动以及线控整车动力学控制在内的整车动力学集成控制，提高整车的主动安全性。

八、电动汽车电动机调速控制系统

电动机调速控制装置是为电动车变速和变换方向而设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。直流电动机的调速方法一是调节电枢电压，二是调节励磁电流，而常见的直流电动机，其磁场都是固定的，拥有不可调的永磁体，所以只好调节电枢电压。调节电枢电压的方法常用的是晶闸管调压法，其次是脉宽调制法（PWM）。PWM只能实现大功率调速，国内的超大功率调速还要依靠晶闸管实现可控整流来实现直流电动机的调压调速。另外，还有弱磁调速，通过适当减弱励磁磁场的办法进行调速。

早期的电动车直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗并使电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也将逐渐被其他电力晶体管斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电动机的应用，电动车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。

1.串励直流电动机调速控制系统

直流电动机具有控制技术简单成熟，转矩、转速特性较为符合理想牵引特性要求等特点，并且由于串励直流电动机具有较大的启动转矩和过载能力，可以满足电动车快速启动、加速、爬坡、频繁启停等要求，所以目前电动车选用串励直流电动机作为驱动源。

在串励直流电动机机械负载不变的条件下，人为调节电动机转速的操作叫调速。有刷有齿串励直流电动机的转速对电枢电流的变化关系，可根据直流电动机的电势平衡方程式求得。影响有刷有齿直流电动机转速的三个因素是：电源电压、串接在电枢回路中的电阻、电动机气隙主磁通。只要改变以上三个因素中的任何一个，都能达到调节有刷有齿直流电动机转速的目的。

目前，电动车用控制器，不管有刷、无刷，普遍采用PWM调速方式。控制器的调速原理一般都是将直流电转换成宽度可调的脉冲，改变脉冲宽度即改变了电压的平均值，使直流电动机平稳地无级调速。

（1）串励电动机与速度控制器连接

串励直流电动机有4个接线柱，2个是定子绕组出线接线柱，2个是转子绕组出线接线柱，分别是A1、A2、D1和D2，这四个接线柱中励磁绕组的两个接线柱离连接负载的输出轴端比较近，另外两个就是电枢的接线柱。观察电动机接线柱旁边的标签，励磁绕组的标签是D1、D2，电枢引出线的接线柱是A1、A2。

如果把电刷与换向器之间用绝缘的体隔开，电枢绕组的接线柱之间是断开的，测量电阻值无穷大，而励磁绕组的接线柱一直是导通的状态。

速度控制器有4根引出线和3根转把（或加速踏板）插接线，其中一红一黑是电源正负线，一根与电动机转子连接的是从控制器输出的电源线，一根与正、反转开关连接的是与控制器输出负极成回路的。电动机的正、反转由改变定子绕组的电流方向控制，所以定子绕组的两根线应与正、反转开关转动片的2个接线柱连接。

用万用表蜂鸣器挡测量正、反转开关上的4根线，2根相通的是电动机定子绕组线，测量有10kΩ阻值的是与速度控制器和电动机转子的连接线，定子绕组的2根线应和正、反转开关的2个转动片接线柱相连。

串励电动机与速度控制器及正、反转开关的连接如图1-132所示。

（2）串励有刷电动机用控制器的工作原理

串励有刷电动机用控制器工作原理框图如图1-133所示。

速度控制器的工作过程如下：首先，蓄电池经内部稳压电路得到一个稳定电压，此电压给PWM芯片供电，PWM芯片供电后开始工作，当用户转动转把（或踩踏加速踏板）时，PWM芯片得到转把（或踩踏加速踏板）的信号电压后，产生的脉冲信号经MOS管驱动电路放大，驱动MOS管工作，MOS管驱动有刷电动机旋转。限流保护电路用于保护电动机绕组，欠压保护电路用于保护蓄电池。

2.交流异步电动机调速控制系统

交流异步电动机常见的调速方法有3种：一是变级调速，二是变频调速，三是变转差率调速。

采用变级调速，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。但是，交流异步电动机采用变级调速属于有级的调速方式，调速的机械特性不如直流电动机。

采用变频调速控制技术，可使电动车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。

自20世纪80年代以来，在电气传动领域中用交流电动机调速取代直流电动机调速一直是不可逆转的趋势。目前，交流调速已成为满足各种生产工艺要求和节约电能的重要措施。在多种交流调速方法中，变频调速的应用发展最快，尽管变频器的生产成本稍高，但其调速性能和装置效率始终处于各种调速方法之首，因此，现在变频调速的应用已成为交流电动机调速的主流。

变转差率调速方法有定子调压调速、转子串电阻调速和串级调速等，由于结构复杂，目前应用较少。

3.开关磁阻电动机调速控制系统

开关磁阻电动机调速控制系统（SRD）是当今世界最新、性能价格比最高的调速系统。它是一种基于改变供电电源频率的调速方式，即交流变频调速。开关磁阻电动机调速控制系统已经实现智能化和模块化，不仅调速性能优越，而且各种保护功能也很完善，现已大量使用。这项技术调速范围宽广，机械特性良好，启动、制动性能卓越，并且具有节能、易维护等优点。

说明：SRD系统是开关磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置，主要由开关磁阻电动机、功率变换器、单片机、电流及位置检测器等五大部分组成。开关磁阻调速电动机的调速功能是由开关磁阻电动机转子位置检测器、功率变换器和控制器（即单片机）共同配合实现的。

功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的提供者，是连接电源和电动机绕组的开关部件，它将电源能量馈入电动机，也可将电动机内的磁场储能反馈回电源，其功率变换电路所用的开关部件为快速绝缘栅双极型晶体管。

单片机为SRD系统的控制核心，只需通过修改软件便能满足户多种性能要求。

随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，SRD系统必将得到广泛应用。

4.无刷直流电动机调速控制系统

（1）无刷直流电动机调速控制原理

无刷直流电动机（BLDCM）是一种新型的机电一体化产品，它既具备异步电动机结构简单、运行可靠和维护方便的特点，又具有直流电动机调速性能好的优点，因此在电动车辆上已被广泛使用。

目前，国外已成功开发有无刷直流电动车控制系统专用集成电路，使无刷直流电动机的控制电路更加简单。这种控制电路具有集成度高、电路简单、抗干扰能力强等特点。

无刷直流电动机控制系统的工作原理框图如图1-134所示。

无刷直流电动机的工作过程如下：

蓄电池电压经内部稳压电源后作为提供控制器内部电子元器件的工作电压向主处理芯片PWM提供电压，PWM根据无刷电动机的霍尔信号对3路MOS管驱动电路给出有选择性的打开与关闭信号，以完成对电动机的换相。同时，PWM根据转把（或加速踏板）的输入电压大小，将相应脉冲宽度的方波信号，与3路MOS管导通信号混合，以达到控制电动机速度的目的。

MOS管是大电流开关元件，其导通与关闭时间受导通信号与PWM信号合成的混合信号控制。

欠压保护电路在蓄电池电压降低到控制器设定值以下时，停止PWM芯片信号输出，以防蓄电池因过放电而损坏。

限流保护电路是对控制器输出的最大电流进行限制，以保护控制器、电动机等不会出现允许范围以上的大电流。

（2）无刷直流电动机与控制器连接

无刷直流电动机与控制器连接如图1-135所示。

九、电动机控制器（MCU）

较好的汽车电动机控制器通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上，便成了功率集成电路（PIC），俗称“智能功率（IPM）”，其目的是进一步减小体积，降低成本并改善其可靠性。PIC可以包含功率模块、控制、保护、信息传递和制冷等。丰田的混合动力汽车中便采用了功率集成电路。

PIC合成存在的主要问题是高电压和低电压器件的绝缘以及冷却问题。不过，在今后的发展中，这种技术是最有希望用于电动汽车驱动系统的，关键在于对器件的集成和包装。

目前国内电动汽车电动机控制器多采用分立元件制作，功率集成电路形式的汽车电动机控制器多掌握在国外的企业中，不过随着中国电动汽车市场的逐渐成熟，国内企业不久会掌握这项技术。

如图1-136所示，汽车电动机控制器由DSP电动机控制板、IGBT驱动电路板、IGBT（IPM）模块、控制电源、散热系统组成。

DSP电动机控制板的功能是：接受整车控制器的指令并反馈信息；检测电动机系统内传感器信息；根据指令及传感器信息产生逆变器开关信号。

IGBT驱动电路板用于接收DSP的开关信号并反馈相关信息；放大开关信号并驱动IGBT；提供电压隔离和保护功能。

控制电源为DSP提供电源；为驱动电路提供多路相互隔离的电源。

散热系统为电力电子模块散热；为控制器组件安装提供支撑；为控制器提供环境保护。