一种高扭矩小电流SM 场能电机
关键词：开关磁能电机（Switch ed magnetic energy motor ）, 简称SM 电机。
一、引言
电动汽车具有低噪声、零排放、高效、节能及能源多样他和综合利用等显著优点，成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步，尤其是需要进一步提高其驱动系统的性能。电动汽车对其驱动系统的要求是转矩控制能力良好，转矩密度高，运行可靠性及在整个调速范围内的效率尽可能高，从而保证车辆具有良好的动力性能和操控性，同时在车载动力电池未能取得突破的情况下，延长车辆的续驶里程。研究并开发出高水平的电机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义。
随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。
二、目前电动汽车用电动机及驱动系统比较
电气驱动系统作为现代电动汽车的核心，主要包括：电动机、功率电子元器件及控制部分。评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁电动机(PM)、开关磁阻电动机(SRM)网类。下面分别对几种电气驱动系统进行简要分析和说明，其总体比较见表l 。
2.1直流电动机驱动系统
在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电动机结构简单，易于控制，具有良好的电磁转矩控制特性，但是由于采用机械换向结构，维护困难，并产生火花，容易对无线电产生干扰，这对高度智能化的未来电动汽车是致命的弱点。另外，直流电动机驱动系统体积大、制造成本高、速度范围有限、能量密度较低，这些都限制和妨碍了直流电动机在电动汽车中的进一步应用。
2.2感应电动机驱动系统
感应电动机现在普遍采用变频驱动方式，常见的变频控制技术有三种：V/F控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要以脉冲宽度调制 (PWM)方式实现V/F控制和转差频率控制，但这两种控制技术因转速控制范围小、转矩特性不理想，面对于需频繁起动、加减速的电动汽车不太适用。近几年，电动汽车感应电动机主要采用矢量控制技术。
2.3开关磁阻电动机驱动系统
以开关磁阻电动机(SRM)为代表的磁阻电动机是一种很有发展前途的电动机驱动系统。SRM 是一种没有任何形式的转子导体和永久磁体的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁檄都是凸的。SRM 具有转子结构简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、响应速度快等优点。但SRM 在振动、噪声、转矩脉动、控制方式等方面还有许多问题需要解决，目前应用还受到限制。
2.4永磁电动机驱动系统
永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点，又具有直流电动机的调速性能好的优点，且无需励磁绕组，可以做到体积小、控制效率高，是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLDCM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。无刷直流电动机( BLDCM) 系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单的优点，但是由于换相电流很难达到理想扶态，因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于车速要求不太高的电动汽车驱动领域，BLDCM 系统具有一定的优势，得到了广泛的重视和普遍应用。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，提高电动机的调速范围，因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视，并在日本得到了普遍的应用，是目前一种比较理想的电动汽车驱动系统。
2.5小结
综上所述可以看出，开关磁阻电动机(SRM)和永磁电动机是目前应用较广且具有较好的发展前景的设计方案，但是这些电机都存在着一个共同的缺点，即需要较大的驱动电流才能发挥其作用。如前所述在目前车载动力电池未能取得突破的情况下，如何延长车辆的续驶里程则成为其继续发展的一个瓶颈。因此研究并开发出高水平的电机及其驱动控制系统，不但对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义，而且也是势在必行的选择方案。
三、高扭矩小电流车用电机的原理及其控制方案
在现有的电机中其所依赖的原理是载流导线在磁场中做功的原理，其做功的过程与通过导线的电流有密切的关系，因此也就不难理解为什么现有的电机都需要比较大的驱动电流了。
3.1基础理论
由现代物理学可知，磁场是一个有旋场，磁矩是磁铁的一种物理性质。处于外磁场的磁铁会感受到外磁场施加的力矩，促使磁铁的磁矩与外磁场呈相同方向。磁矩可以用矢量表示。磁铁的磁矩方向是从磁铁的南极指向北极，磁矩的大小决定于磁铁的磁性与量值。不只是磁铁具有磁矩，载流回路、电子、分子或行星等等，也都具有磁矩。我们日常使用的罗盘（指南针）就是应用了磁矩的概念制造出来的
处于不均匀外磁场B 的磁铁所感受到的磁力F ，以方程近似为
:
;
其中，µ是磁铁的磁矩
注意到-µ·B 是磁场与磁矩之间的作用能量。所以，作用力F 的方向是朝向减少作用能量的方向。磁矩µ固定不变，当磁场与磁矩呈相同方向时，作用力的方向是朝向磁场比较强的区域；当磁场与磁矩呈相反方向时，作用力的方向是朝向磁场比较弱的区域。这方程对于零尺寸的磁铁（磁偶极子）完全正确；对于其它小尺寸的磁铁则是近似正确；对于大尺寸
磁铁，必须将其分为几个小区域，再将每一个小区域的磁矩所感受到的磁力综合为总磁力。
3.2原理简介
高扭矩小电流车用电机是一项新的专利技术，该项技术提供了一种能尽量降低本身消耗，依靠自然磁能和电流产生的磁场直接相互作用来产生动力的新型动力机械，也可称为场能控制技术。
本技术是利用数个独立工作的电磁线圈构成一个封闭的外磁场，具有铁磁材料的转子相当于一个磁偶极子，当外磁场发生变化时（外磁场的转矩偏转θ角度时），则磁偶极子势能所做的功即为转子的磁矩向平衡位置转动θ角度所做的功。其产生的转矩为：
T = F ·R Nm（牛米）
式中：R ：磁场作用的力臂，即磁场转动作用的平均半径，m(米) ；
F ：磁场作用力（或磁场吸引力），N （牛）；
由此可知，本技术采用的是场能做功的原理，而形成场能做功的条件是有序的控制各独立工作的电磁线圈所构成的外磁场的变化，即控制场能的变化。故此种电机可称为开关磁能电机，（Switch ed magnetic energy motor ）简称SM 电机。
3.3工作原理
依据电磁铁的工作原理，在定子上设置
多个电磁线圈，并将多个电磁线圈的磁极进
行合理的磁场布局排列，在转子上设置轭铁
和永磁体的组合结构，且与定子上的电磁线
圈结构对应。通过控制相应电磁线圈的通断
使其对外呈现的磁极极性发生变化，即其在
定子上产生一个稳定的可持续的旋转磁场，
推动转子转动输出机械能。在现有技术中，
电磁吸盘能在较小电流的作用下能产生较
强的吸力（其吸力与安匝数有关），形成一
个强有力的旋转磁场与转子磁场发生直接
的相互作用，推动转子旋转。
该技术能产生的有益效果是：充分发挥
稀土合金永磁体的强磁作用，利用磁能使机
械动力装置中产生更好的节能效果，降低对
电力的消耗，对节能减排做出贡献。 附图1：电机的原理结构剖视图
电机的原理结构剖视图如附图1所示，在附图1中：
1—电机外壳（定子座）；2—电枢铁芯；3—电枢线圈；
4—电枢端部轭铁；5—转子永磁体；6—转子轭铁；7—转
子座；8—转轴。
附图2为电机的轴向剖视图，由附图2可知，在本结
构中，电枢铁芯采用U 型结构，二个电枢线圈分别安装在
U 型铁芯的端部，且分别被电枢端部轭铁固定。固定在转
子轭铁上的二个转子永磁体的极性相反，但处在同一端面
的永磁体的极性相同。十五个电枢组件分别固定安装在定
子座上，连续位置的五个电枢组件组成一相共分成A 、B 、
C 三相，且每相中对应位置的电枢线圈（如A1、B1、C1
称为回路1）连接在一起构成五个控制回路，基于磁场平 附图2：电机的轴向剖视图
衡的原理，每个永磁体的中部所对应的位置为回路3（中点）。
初始条件：
附图1所示的位置为初始的0°位置；每相中回路的数字按逆时针方向设置，即按A5、A4、A3、A2、A1顺序设置；布置在转子座上永磁体为N 极向外；线圈导通时电流产生的磁通方向为S 极向外，与转子上的磁极相对应。在转子上设置一个光栅，其光栅孔的间距角度为12°，在定子座上设置有光电发射及接受装置，以检测转子的旋转状态。
其控制时序图如附图3所示。
附图3：控制时序图
说明：附图3只是为了能更好的叙述其工作原理而做的，在实际工作中为了减少转矩的波动，其控制时序中被开通的回路与被关断的回路在时序上可以做相应的调整。
其工作原理叙述如下：
1、首先在每相的五个回路中，将回路4、回路3、回路2设置为导通状态，回路5、回路1设置为截止状态，则回路4、回路3、回路2三个回路中电流产生的定子磁场中心线在回路3的中心线上且与转子磁场的中心线相重合，二回路5、回路1中不产生磁场。由于此时转子处在稳定状态，故此时转子不运动。
2、将回路5导通，则在定子中产生的磁场由回路5、回路4、回路3、回路2共同构成，其中心线在回路4、回路3相邻界线的中心上，与转子磁场的中心线产生12°的偏差，转子的稳定状态被打破，因此转子产生逆时针的运动，使转子磁场的中心线重新与定子磁场的中心线重合，重新回到稳定状态。此过程使得转子逆时针旋转12°。
3、将回路2关断，此时在定子中产生的磁场由回路5、回路4、回路3构成，其形成的定子磁场中心线在回路4的中心线上，与转子磁场的中心线产生12°的偏差，转子的稳定状态又被打破，因此转子继续产生逆时针的运动，迫使转子磁场的中心线重新与定子磁场的中心线重合，重新回到其稳定状态。
4、将回路1重新导通，则在定子中产生的磁场由回路1、回路5、回路4、回路3共同构成，其中心线在回路5、回路4相邻界线的中心上，与转子磁场的中心线产生12°的偏差，转子的稳定状态被打破，因此转子产生逆时针的运动，使转子磁场的中心线重新与定子磁场的中心线重合，重新回到稳定状态。此过程使得转子逆时针旋转12°。
5、将回路3关断，此时在定子中产生的磁场由回路,1、回路5、回路4、构成，其形成的定子磁场中心线在回路5的中心线上，与转子磁场的中心线产生12°的偏差，转子的稳定状态又被打破，因此转子继续产生逆时针的运动，迫使转子磁场的中心线重新与定子磁场的中心线重合，重新回到其稳定状态。
余此类推，每次电枢回路的状态发生变化都能使转子产生旋转，改变控制顺序则可使转子的旋转方向发生改变。
同理，上述的工作过程也适合其它回路数的电机结构，且随着回路数的增加其功率密度也愈大。
从上述的工作原理可以看出，SM 电机实质上是一种步进式电机，每收到一次控制指令，其定子的磁场发生一次改变，驱使转子旋转一个控制角度。在本结构中其步进角度为24°，通电率为60％。
此外，在前述的控制方案只是一种最小角度的控制方案，在该结构中还可以有不同步进角度的控制方案，如36°、48°、……直至最大控制角度72°等不同的控制方案可根据负载的状况灵活选用，这也是SM 场能电机所独有的特性。
另外，在常规的电机中，其依靠的是磁场中的载流导体产生垂直于磁场方向的作用力来推动转子旋转，所以它需要有较大的电流。而在SM 场能电机中转子旋转所依靠的原理是磁矩在外磁场中所具有的与外磁场保持一致的特性，通过控制定子电磁线圈的开关使定子磁场的中心位置发生偏转，定、转子合成的磁矩跟随其变化而产生相应的扭矩，推动转子旋转，由此可知SM 场能电机实质上又是一种扭矩电机。对电磁线圈而言较小的电流就可以使其产生较大的吸力，况且电磁线圈中电流所产生的磁场只是起到一个引导的作用，这就是为什么SM 场能电机可以用较小电流产生较高的转矩的根本原因。
四、SM 场能电机的特性
通过上述的工作原理的简述，可以看出采用此项技术的SM 电机具有以下的特点：
1、可以在较小的电流作用下获得较大的转矩，转矩/电流比大, 可实现各种特殊要求的转矩/转速特性。
2、输出的转矩大且平稳，无脉动。转矩能迅速建立，且没有冲击电流，适合工作于频繁启、制动的场合。
3、同时具有电动、发电以及电磁制动功能，且电磁制动特性良好。
4、由于采用自耦型电磁结构，因此电机结构设计时计算简单，便于建模和仿真。其定子座及转子座均可使用非金属材料制作。
5、控制回路简单且控制方式方便，易于实现各种调速控制。
6、结构紧凑，重量轻且功率扩展方便，具有较好的功率密度比和转矩密度比。
7、效率更高。
8、采用模块化结构，使其可靠性更高，且维修方便。
9、可根据负载的状况灵活选用各种不同的控制方案，使在其最小的步进角度到最大的步进角度中变换，这也是SM 场能电机所独有的特性。
10、电机温升低、噪声小。
综上所述，SM 电机可以在较小的电流下稳定的工作，因而可以使用如太阳能电池、蓄电池等多种供电形式，同时又具有电动、发电以及电磁制动功能，因而尤其适合于车载应用。
五、SM 场能电机的数据指标测试
以SM15/3测试样机为例，其定子有15个U 型铁芯轴向排列，二个线圈产生的磁场方向相同，磁场夹角为24°；转子有三组U 型结构的铁芯，其与三组定子铁芯相对应的夹角为70°，可加装永磁体构成永磁型SM 场能电机。
（一）、静态指标测试及计算：
1、电源的功率
电源电压：36V; 控制电流1.2A ，则电源功率为P = 36 X 1.2 = 43.2 W
2、电机的最大静转矩（实测值）为4 NM。
其它静态指标尚在测试过程中，由于样机制作过程中结构较为简单，为防止造成损坏，暂未进行动态指标的测试。