北京科技大学余达太:安全可靠"鼠笼"电机

　　经过十年的摸索，中国调整了电动汽车发展规划，摒弃了以丰田普锐斯为代表的深混电动车辆，确立了纯电动车的发展方向，且在不排除现有的以廉价为特点的浅混电动车和直流有刷、交流同步等永磁电机为动力的基础上，确立了电动车辆的动力正确发展方向为三相交流异步电机。

　　鼠笼电机即三相交流异步电机，具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域，而三相交流异步电机也是最适合电动汽车用的一种电机。

　　上世纪末，中国的电动车开始起步，这个时期的电动自行车（包括初期发展的一些电动汽车）多采用直流（有刷）伺服电机，采用及其简单的开关式控制，以铅酸电池为动力能源。同时，设计比较简陋，电动车辆性能无法满足使用要求，也没有安全性、舒适性可言，此时国家也没有出台统一的电动车辆发展规划。

　　2000年左右开始，一些科研单位开始将交流同步伺服电机应用到了电动汽车的主动力上，动力电源也有了多样化的发展，比较突出的是铅网电池、锰酸锂电池等，个别单位已经开始试用氢燃料电池（Fuel Cell）组作为电动车辆的动力电源。这一阶段，电动车的控制性能有所提高，对电动车辆的要求也开始往实用化发展，开始注重安全性、可靠性甚至驾驶舒适性。同时国家出台了一些电动车辆的发展规划，认为混合动力是主要发展方向，所以当以丰田普锐斯（PRIUS）为代表的深度油电并联混合动力汽车出现时，得到了中国汽车制造行业的极大追捧。

　　又经过十年的摸索，中国调整了电动汽车发展规划，摒弃了以丰田普锐斯为代表的深混电动车辆，确立了纯电动车的发展方向，且在不排除现有的以廉价为特点的浅混电动车和直流有刷、交流同步等永磁电机为动力的基础上，确立了电动车辆的动力正确发展方向为三相交流异步电机。理由是这种古老的电机具有永磁电机所不能比拟的优势——安全、可靠，不存在永磁电机可能产生的永磁材料退磁问题。

　　永磁电机包括直流伺服电机、交流同步伺服电机两种。对于汽车这种交通工具来讲，由于其本身的属性是移动且经常处于不同的环境、温度、路况及速度下，从理论上来讲，永磁电机的永磁材料高温退磁问题是无法避免的，如瞬时超载会引起电机过热造成退磁。

　　其实在现实情况中也是如此，丰田普锐斯由于采用交流同步永磁电机，早期生产的汽车，其电机由于夏季路面辐射高温和上坡过载瞬间发热造成严重退磁，其输出功率基本都降至原设计功率的一半以下。而由于磁性材料的磁滞特性，退掉的磁将是不可逆的，即不能再充磁恢复，只能报废。

　　在结构上，三相交流异步电机与其他电机不同，其工作原理是励磁，此种电机的转子是线圈绕组，定子是金属励磁鼠笼，不存在永磁材料。由于三相交流异步电机结构简单，可以承受更大的机械冲击和过载，完全胜任汽车所要求的高可靠性，也不存在飞车事故隐患，使用寿命也很理想（三相交流异步电机的寿命是轴承寿命）。

　　但三相交流异步电机的缺点是体积和重量比较大，解决的方法是使用高磁通矽钢片来制作电机。

　　从以上可知，电动车应该使用三相交流异步电机作为其主动力，但是由于三相交流异步电机的非线性特征，对其控制一直以来没有好的解决方案。全世界大多数对三相交流异步电机的控制还仅仅停留在使用变频器上，而由于变频器只能通过控制频率从而达到控制三相交流异步电机的转速这一个物理量，所以不能满足车辆经常需要的低速大扭矩（起步、爬坡等）的工况。

　　采用了多CPU控制的IMS（Induction Motor Servo）三相交流异步电机伺服控制系统则实现了控制电机的全部物理量，即转速、转矩、加速度以及位置控制。

　　IMS伺服控制器的功率主回路采用大功率IGPT或MOSFEIT等半导体器件由专业厂家特殊封装，以适应电动车辆强烈振动和大温差的恶劣工作环境。

　　为了更好地达到控制电机的各项运动变量，需要有强大的软件与IMS伺服控制系统相配合，并需要进行友好的人机会话。IMS伺服控制系统采用了专用的电机操作系统QMOS，并设计了一套与之交互的计算机控制语言QMCL。

　　该操作系统可以控制三相交流异步电机在低速下短时（几十秒）输出大扭矩（在额定转速下可以输出额定功率的300%），乃至在电机停止转动时仍然输出300%的转矩，这就是该系统所独有的零速锁定功能，该功能可以说是专门为电动汽车量身定做。