刘康红
（太重煤机有限公司，山西 太原 030032）
摘要：防爆电动车用牵引电机要求过载能力大、低速特性好、抗扰动性强。介绍了永磁无刷直流电机、永磁同步电机和交流感应变频电机的特点，比较了各自的综合性能，得出了从续航里程和高效性来考虑永磁无刷直流电机更适用于防爆电动车用驱动装置的结论。
关键词：防爆电动车；永磁无刷直流电机；永磁同步电机；交流感应变频电机
中图分类号：TM33：TM34
0 引言
矿用电驱动车经常处于车辆启动、加减速换档以及刹车这3种工况下。牵引电机是电驱动车的动力源，电机的启动转矩、过载倍数、温升与效率、变频情况下的机械工作特性、四象限运行时的电流与转矩的微观状态等几个因素直接影响着车辆的传动性能。在过去几十年，各种矿用电机车或者电牵引输送车的动力源绝大多数都采用直流电机或者交流感应电机，这些通用电机占据了煤机市场的半壁江山。通用电机适用于恒定或者周期性的机械负载，但是电动车辆随着路面的颠簸或者司机驾驶习惯的不同，负载具有非周期性特征，负荷随机性较大，通用电机的最佳工作效率区利用较少，影响了电机的输出转矩大小，匹配性较差；此外，电驱动车大部分时间在低速大扭矩和高速小扭矩两种状态之间频繁切换，通用电机在这种工况下输出功率很难发挥，此时司机操控车辆会感觉到不舒适，影响了车辆的操控性能。
本文将介绍永磁无刷直流电机、永磁同步电机和交流感应变频电机的特点，并比较了各自的综合性能。
1 永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电机( BLDCM)从气隙磁场空间分布形式来看，有方波和正弦波之分，方波磁场无刷直流电机的机械特性和调节特性与直流（有刷）电机十分相似，只不过永磁无刷直流电机用转子位置传感器替代了有刷直流电机电刷，用电子开关代替了机械换向器。BLDCM具有直流有刷电机的特征，通过发出电流给定指令，经过电流闭环，输出PWM高频高压脉冲波，连续平缓地调节定子绕组上的端电压，间接地控制了定子电流，由于电机转矩与定子电流成正比，所以实现了电机转矩的精确控制。永磁无刷电机在每一时刻均有两相绕组通电工作，这两相导体基本处于定转子生成的合成磁场平顶直线区域，并作切割磁力线运动，定子产生的电磁场与转子产生的电磁场基本上处于正交状态，电机绕组的电流几乎全部用于产生转矩，不像感应电机那样还需要额外的定子励磁分量，其功率因数达到0. 97以上，转子损耗几乎为0，永磁无刷直流电机的效率基本能达到98.4%。如图1所示为长治市胜龙电机技术有限公司生产的22 kW防爆永磁无刷电机。
正弦波永磁无刷直流电机的定子嵌入三相Y接正弦波绕组，与感应电动机相似，永磁体也是N-S相间安装在转子铁芯表面或插入转子铁芯中，在气隙中生成正弦波磁场，当定子绕组加入三相对称正弦波电流后形成旋转磁场，并与转子形成的磁场相作用，产生电磁转矩。这种电机实质还是永磁无刷直流电机(BLDCM)，只不过它的气隙磁场分布是正弦波，绕组电流是三相正弦波。这种电动机不能像BLDCM -样，仅判别转子磁场极性就可以控制，而需要判别转子极性和绝对位置，其位置传感器通常选用旋转变压器和A/D数模转换或2 000线以上光栅，通过矢量控制实现定、转子磁场的相位改变，从而扩大恒功率区；也可以实现两磁场正交，类似方波永磁直流电动机工作状态，但是当功率器件相同、磁性材料利用率相同时，输出转矩比方波电机减少20%左右。由于这种电机不存在换相，因此低速转矩脉动比方波BLDCM要好得多，这就是日本各汽车公司采用这种电动机作电动汽车牵引电动机的原因。与方波BLDCM相比，正弦波BLDCM必须有昂贵的转子位置传感器，其控制机理复杂，功率密度或转矩密度要低。对于大减速比机械减速器拖动的大惯量车辆来说，这种电机低速转矩脉动并没有显出十分突出的优势，但是这种电机可以扩大恒功率区，这却是方波永磁无刷直流电动机难以做到的。
2 永磁同步电动机
永磁同步电动机(PMSM)的转子无励磁绕组，在同功率等级的情况下，其体积比普通电励磁同步电动机更小，具有较高的效率。直流电机依赖换向器和碳刷工作，在维护性和体积方面要差于永磁同步电机；交流感应电机由于转子没有提供单独的励磁能量，只能通过定子绕组分解一部分电流来提供激磁磁场，因而需要一部分感性无功电流，功率因数相比永磁同步电机较小。但是永磁同步电机也有它自身的缺点，比如自身无法单独启动，需要变频辅助启动，同时其成本要高于感应电机。目前，永磁同步电机匹配矢量控制器装置，在高精度伺服机床、煤矿刮板输送机软启动、采煤机宽范围调速方面已经应用得越来越广泛。
永磁同步电机与永磁无刷直流电机都属于永磁类电机，它们最大的不同点是其反电动势和定子电流波形：永磁无刷直流电动机的反电动势是梯形波，定子电流波形是矩形波；而永磁同步电动机的反电动势和定子电流波形均是正弦波。另外，永磁同步电机为产生稳定的电磁转矩，定子磁场和转子磁场必须相对静止，也即定子电流的瞬时值必须与转子位置同步，这样产生的电磁场与转子速度才能保持相对静止，所以转子位置传感器必须连续检测；但是永磁无刷直流电机的定子电流为方波电流，所以转子位置传感器是每隔60。电角度进行一次检测即可（同时保证换向正确），电角度容错范围很大，电机几乎不存在不稳定的失步区段。
从某种意义上说，相同额定功率与额定转速情况下，永磁同步电机转矩系数（单位电流产生的转矩大小）要小于永磁无刷直流电机力矩系数，因为转矩实质上是转矩电流与合成磁通的叉积，永磁同步电机转子极靴下包络的定子电流为正弦波，而无刷电机转子极靴下切割的定子电流为矩形波，面积要大于正弦波，所以产生的力矩要更大一些。因此，永磁同步电机变频器容量相比同功率等级无刷电机控制器要大一些。
另外一方面，永磁同步电机控制方式本质上是交流矢量控制(VC)或者直接转矩控制(DTC)，而永磁无刷直流电机控制方式采用的还是直流电动机的调压调速方式，无非是在换向上采用转子位置检测器取代了直流有刷电机的碳刷与机械换向器。采用矢量控制方式对定转子参数要求高，矢量控制系统对参数敏感，而采用直流调压调速控制方式则非常简单，只需要对无刷电机电压进行PWM斩波控制即可。在控制方式的复杂程度上来讲，永磁无刷电动机要比永磁同步电机容易得多。但是永磁直流无刷电机也有它的缺点，随着电机转速的升高，无刷直流电机反电势增大到与直流母线电压几乎相等，由于磁场为恒定值，意味着其反电势限制了定子电流的增长，无法实现弱磁升速。而永磁同步电机采用矢量模式，磁场可以控制，能够实现弱磁控制，调速范围较大。在高精度伺服驱动场合，永磁同步电机也有较大的竞争力。图2为永济电机厂生产的45 kW隔爆型永磁同步电机。
3 交流感应变频电机
交流感应变频电动机由于是单边励磁电机，电枢绕组在流过有功电流的同时，还要流过产生气隙磁场的无功电流；转子流过的感应电流功率因数也不高，特别是在低速轻载时，转子产生的铜耗占相当大份额，存在强耦合、非线性，不可能像直流电机那样单独调节电枢电压（电流）标量就可以调节转矩。目前，该类电机的控制策略主要有矢量控制、直接转矩控制、最高效率控制等，这些控制方式在美国已很成熟。虽然交流感应变频电机启动转矩／启动电流之比与永磁电机的相比要小，并且还需采用复杂的矢量控制技术进行调速，但是由于其电机成本低、转子结构（鼠笼）简单，同时变频器成本也随着电力电子行业的发展而大幅度降低，因而目前国外（例如美国、南非等国家）倾向于采用交流变频调速电机。图3为南非某电机厂生产的140 VAC 50 kW低压大转矩变频感应电机。
4三种电机性能对比分析
三种电机技术指标对比见表1。表1中，单项以5分为满分，每一种电机单项合计50分为满分。从表1可以看出，永磁无刷直流电机综合指标第一，主要表现在效率方面优于其他电机，这对于蓄电池动力车辆最为关键的指标一续航里程能力方面尤为重要。除此之外，控制简单和造价低也是很重要的因素。
5 结语
综上所述，这3种电机均有应用于电动车的可行性，从续航里程和效率方面来说，永磁直流电机更加适合作为矿用电动车的驱动装置。
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