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电动汽车电机的位置传感器有哪些？
2025/8/11 15:15:44 点击数：31
在新能源汽车（尤其是纯电动和混合动力汽车）中，电机是动力系统的核心部件，而转子位置检测传感器作为电机控制的关键反馈元件，直接影响整车的性能、效率和安全性。
转子位置传感器的准确工作可以确保在紧急制动、加速或转向等关键时刻电机的响应正确无误。这对于永磁同步电机（PMSM）尤为重要，这种电机没有物理触点换向器，因此需要依赖传感器提供的位置信息来决定何时切换电流方向，确保电机顺畅运转。
接下来，我们将结合比亚迪、联合电子的相关专利和资料，重点针对如下三点进行详细介绍：1、电机转子位置检测的重要性；2、旋转变压器与电涡流传感器两者在转子检测方面性能对比；3、新能源电驱动的电涡流传感器设计方案。一、电机转子位置检测的重要性实现精准的电机控制转矩与转速控制：转子位置传感器实时检测电机转子的角度和转速，为电机控制器（如FOC矢量控制算法）提供闭环反馈。精准的位置信息确保电机输出转矩平稳，避免扭矩波动导致的振动或噪音，直接影响车辆的加速性能、爬坡能力和驾驶平顺性。同步电机高效运行：在永磁同步电机（PMSM）中，转子位置决定了磁场定向控制的准确性。若位置检测误差过大，会导致磁场失配，降低电机效率（如损耗增加、发热严重），甚至引发失步故障。
提升能量回收效率再生制动优化：在能量回收（Regenerative Braking）过程中，电机需精确切换为发电机模式。转子位置传感器提供实时角度信息，确保发电模式与驱动模式的无缝切换，最大化能量回收效率，延长续航里程。动态响应需求：新能源汽车电机转速范围广（通常可达15,000-20,000 rpm），高精度的位置传感器（如电涡流传感器）能在高速下快速响应，避免因信号延迟导致的能量回收滞后。
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保障系统安全性与可靠性
故障诊断与保护：实时监测转子位置可识别电机异常状态（如堵转、失步、过载），触发保护机制（如降功率或停机），防止电机过热或机械损坏。
冗余设计需求：部分高端车型采用双传感器冗余设计（如旋变+电涡流），确保在单传感器故障时仍能维持基本控制功能，符合车规级功能安全标准（ISO 26262）。
- 推动智能化与网联化发展
数据融合与预测性维护：转子位置数据可与其他传感器（温度、振动）结合，通过车联网上传至云端，实现电机健康状态监测和故障预测，降低维护成本。
自动驾驶需求：精准的电机控制是自动驾驶车辆动态响应的基础，转子位置传感器的实时性直接影响转向助力、制动响应等关键功能的执行精度。
二、旋转变压器与电涡流缓速器的工作原理对比
1、旋转变压器（Resolver）
旋转变压器基于电磁感应原理，由定子和转子组成，定子包含正交的正弦（Sin）和余弦（Cos）绕组，通过高频交流电（通常1kHz~10kHz）激励。转子旋转时，电磁耦合程度随角度变化，输出信号幅值与转子机械角θ成正弦或余弦关系。信号处理分为鉴相式（相位差对应角度）和鉴幅式（幅值对应角度），需通过解算芯片（RDC）或数字信号处理（DSP）转换为数字角度。
2、电涡流传感器
电涡流传感器通过高频磁场（2-5MHz）激励金属转子产生涡流，接收线圈检测磁场变化并输出正交信号，经解调后计算角度。其核心为多层PCB线圈设计，支持高频信号处理，无需复杂激励电路，通过模块化接口实现快速集成。相较于传统旋变，电涡流传感器延迟仅4μs（比如比亚迪超级e平台发布的信息），适合超高转速（如150,000rpm）场景。
3、旋转变压器存在的问题
信号精度不足：
旋转变压器的10kHz 低频励磁信号在高速场景下（如 20,000rpm）会导致基波数量锐减。例如，20,000rpm 时基波数量仅为 5,000rpm 的 1/4，信号量密度下降 75%。这会造成以下问题：
① 波形失真：高频旋转时，正弦 / 余弦信号的包络线与实际角度偏差增大，导致 MCU 解码时出现拟合误差。
② 动态响应延迟：励磁频率与转速不匹配时，信号解调需更长时间。传统旋转变压器的信号处理延迟约为 10 微秒，在高速场景下可能导致位置反馈滞后，影响电机动态性能。
角度误差显著：
传统旋转变压器的角度误差普遍为**±33’mech（4 对极），而新一代电驱系统要求达到±22.5’mech（4 对极），这个问题主要是由以下两点原因造成：
① 制造工艺限制：硅钢片叠压精度、绕组绕制均匀性等因素导致磁场分布不均。
② 温度漂移：电机运行时的高温（可达 150℃）会改变磁性材料的磁导率，导致角度误差随温度变化。
抗干扰能力弱：
旋转变压器的10kHz 励磁频率与 IGBT 开关频率（通常 15kHz 以下）接近，易引发以下干扰：
① 载波信号干扰：IGBT 开关瞬间产生的高频噪声会叠加到旋变的正弦 / 余弦信号上，导致解调后的角度信号出现毛刺。
② 共模干扰：电机绕组与旋变绕组之间的寄生电容会耦合高频噪声，导致信号失真。
体积与成本限制：旋转变压器自身原材料价格高（如TMR磁传感器需磁铁+芯片组合），工艺路线复杂，制程中涉及的诸如绕线、焊接等复杂工艺，很难降低成本控制。
旋转变压器的硅钢片 + 绕组结构导致以下问题：
① 体积庞大：典型旋转变压器的包络直径为 144mm，重量约 1.2kg，在油冷电机中需额外设计油路避让结构，增加系统复杂度。
② 材料成本：硅钢片、漆包线等原材料占总成本的 70%，且绕制工艺复杂。
③ 工艺成本：多极旋转变压器需精密加工，例如 4 对极旋转变压器的齿槽精度一般需控制在 ±5μm。
三、电涡流传感器设计方案
下面我们就结合联电的相关专利，分析电涡流传感器在新能源汽车电驱系统上的应用，以及如何解决旋变所无法解决的应用问题：
电涡流传感器的结构组成
传感器由电涡流转子、激励线圈、接收线圈、电涡流控制模块与印刷电路板组件构成。
电涡流转子：一端与待测电机转轴同步旋转，另一端靠近电磁感应区形成预设气隙间距。
外壳组件：容纳 PCBA，形状与 PCBA 匹配，设输出端口（接插件）和对称限位固定孔。
灌封胶：密封 PCBA 于外壳内，提高防水、防尘和散热性能。
工作原理
高频磁场激励：
电涡流控制模块驱动激励线圈产生2~5MHz 高频振荡磁场，当电涡流转子（金属导体）随电机转轴旋转时，转子表面感应出电涡流，其反向磁场减弱原高频磁场。
设计特点
集成化与紧凑布局：
PCBA 采用多层板（至少两层），每层布设完整周期线圈，线圈直径≤30mm，体积较传统弧形设计缩小约 60%。
性能优势
高精度与高动态响应：
角度精度可达 ±22.5’mech（4 对极），优于传统旋转变压器的 ±33’mech（说明书 [0005]）。
高频磁场（2~5MHz）响应速度快，适用于最高 150000RPM 电机检测，传播延迟仅 4μs（说明书 [0093]、[0098]）。
专利说明：将电涡流控制模块与PCBA集成，利用涡流感应技术，感应对配目标轮在旋转情况下的涡流变化，而后通过电涡流芯片对接收到的高频信号的进行实时解码，能够获得移除高频载波信号的正余弦包络线模拟信号，并实时输入MCU，可以实现高速情况下，确保角度反馈的高精度、低延时(4us传播延迟)。
不需要复杂的激励电路(RDC)、滤波(Filter)电路以及低延时的电涡流芯片，通过余弦绕组与正弦绕组的接收线圈因电磁感应而产生高频振荡的感应电动势，接收线圈的感应电动势随目标轮覆盖的面积发生变化，通过接收线圈将正交高频信号输入芯片中，由电涡流芯片完成高频解调工作，将解调后的正余弦包络信号将被输入电控MCU中用于角度信号的解算，相比旋转变压器而言，不仅降低了成本、减小了体积与重量，同时，使其具有满足最高150000RPM的电机角度位置检测能力。
成本与工艺优势：
PCBA 制版工艺简化绕线、焊接流程，物料成本降低，支持自动化生产（SMT 工艺）。
专利说明：无需旋转变压器的复杂激励电路（RDC），电控系统成本下降（图 7，说明书附图 7）。
关键工艺SMT(Surface Mount Technology，表面贴装技术)+电气测试可实现高度自动化，减少人力投入，能够有效降低电机+电控的电控成本。
由于电涡流传感器内置电涡流芯片，原先电控层级旋变信号的解调回路得以进行优化和移除，也能够实现电控降本。
结构优势：
体积小（包络直径≤59mm）、重量轻（较传统方案减轻 50%），安装空间灵活（图 11，说明书附图 11）。
专利说明：传感器结构采用嵌件注塑形式，将输出插件与传感器本身集成，减少了因穿缸插件导致的额外线束插件成本，极大降低电桥布置成本。对比市面上批产的传感器进行了结构优化，包络直径由Φ144Max缩小至Φ 59mm，整体重量减轻两倍，有利于整体降本，以使电涡流传感器具有体积小、重量轻的优点。
总结
电涡流传感器在油冷电机、高速电驱系统等场景中已展现出显著优势。例如，在油冷电机中，电涡流传感器无需旋转变压器的复杂油路避让设计，可直接集成于平衡板，节省空间并降低成本。未来，随着国产车规芯片的进一步普及，电涡流传感器的成本将继续下降，而旋转变压器的材料与工艺限制使其降本空间有限。
综上所述，电涡流传感器通过高频励磁、数字解调、PCB 集成等技术，在信号精度、角度误差、抗干扰能力、体积成本四大核心指标上全面超越传统旋转变压器，成为高速电机与新能源电驱系统的优选方案。
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