簡單分析新能源汽車上各種驅動電機的原理

驅動電機系統是電動汽車三大核心系統之一，是車輛行駛的主要驅動系統，其特性決定了車輛的主要性能指標，直接影響車輛動力性、經濟性和用戶駕乘感受。

電動汽車有不同的傳動系統可供選擇，電動機的放置，對車輛的動力輸送和車輛用途起著非常重要的作用。電動汽車可以有多種不同的配置，比如單電機、雙電機、三電機或每個車輪一個單獨的電機，在詳細介紹這些電動機配置之前，讓我們先了解一下電動機在電動汽車中的工作原理。

電動機的工作原理

電動汽車發動機的工作原理，是一種物理過程，即利用電流在稱為定子的固定部件上產生磁場，帶動稱為轉子的旋轉部件運動電能，由于馬達相連的電池提供給定子由導線制成的線圈，分別布置在定子或定子的兩側，在某種程度上起到磁鐵的作用。因此，當汽車電池的電能供應給電機時線圈會產生旋轉磁場，旋轉的轉子產生轉動汽車齒輪所需的機械能從而轉動輪胎，這就是電動機的簡單工作原理，下面我們來介紹不同的電動機類型以及他們的作用。

純電動汽車經常采用的驅動電機有直流電機、異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機四類。電動汽車常用的四種驅動電機性能比較見下表。



無刷直流一種最簡單的直流電動機，是使用電刷通過機械換向將電流傳輸到換向器，電樞是一個電磁鐵磁場，磁體是永久磁體。它的優點是能夠在低速時提供最大扭矩，但是它的缺點也很突出：結構笨重、電刷效率低、工作時會產生較多熱量，因此，電動汽車中很少使用有刷直流電動機。

有刷直流電動機是一種帶有永磁體的，它被稱為無刷是因為它沒有換向器和電刷裝置，它具有牽引特性，如高啟動扭矩：高效率約95%至98%；并且采用高功率密度設計方法，適用于最大功率為60千瓦的小型汽車。缺點是恒定功率范圍短，隨著速度的增加而扭矩減少、用磁體成本高。

根據法拉第電磁感應定律，閉合電路的一部分導體在磁場里切割磁感線的運動時，導體中就會產生感應電流，產生的電動勢成為感應電動勢。

在交流異步電機中，電動機作為發電機時，定子中的通入三相電流為激磁電流，提供磁場，轉子上繞組提供導體，當通過外部機械力，比如汽車驅動軸帶動轉子軸，從而帶動轉子運動時，如果轉子上的轉速高于定子旋轉磁場的同步轉速，此時交流異步電機即為發電機，轉子此時切割旋轉磁場的方向與作為驅動電機轉子工作時相反，因而轉子感應電動勢的方向也相反。在發電過程中，電機轉子受到與外力拖動相反的電磁阻力矩，使轉子速度下降。

交流異步電機的優點是輸出扭矩可以在大范圍內調整，能在加速或者爬坡時短時間內強制提高輸出扭矩，缺點是電機由于單邊勵磁，啟動電流較大，產生單位轉矩需要的電流較大，而且定子中存在無功勵磁電流，因此能耗比永磁同步電機大，功率因數滯后；重載驅動時常出現過負荷現象；結構相對復雜，其控制技術要求高，制造成本高；功率密度相對低。目前，美國研制的電驅動汽車多采用交流異步電機作為驅動電機。

永磁同步電機是將永久磁鐵取代他勵同步電機的轉子勵磁繞組，將磁鐵插入轉子內部，形成同步旋轉的磁極。 它像無刷直流電動機一樣有永磁體，具有高功率密度高效率等牽引特性，可用于更高的額定功率，與其他電動機相比，它也很昂貴。它的優點是：可以在不同的速度范圍內運行而不需要使用齒輪系統的輔助，即使低速行駛它也有很高的扭矩。缺點是在高速運行期間電動機的損傷會很大。

工作原理：啟動和運行是由定子繞組、轉子鼠籠繞組和永磁體這三者產生的磁場的相互作用而形成。

開關磁阻電動機是一種典型的機電一體化電動機，又稱“開關磁阻電動機驅動系統”，這種電動機主要包括開關磁阻電動機本體、功率變換器、轉子位置傳感器及控制器四部分。開關磁阻電動機本體主要結構包括定子、轉子、位置傳感器、前后軸承、前后端蓋和電機殼體等。其中，定子包括定子鐵心和繞組。定子鐵心和轉子都采用凸極結構，定子凸極鐵心和轉子都由硅鋼片疊加而成，定子凸極上布置繞組，轉子無繞組和永磁體。

它是雙凸度可變磁阻電動機的一種，簡單而堅固的結構，它的轉子是一個單一的層壓鋼沒有繞組或永久磁鐵，這降低了行車時的慣性，有助于加速。它的堅固性使其更加適合運用在高速上，它還提供了高功率密度，這也是電動汽車的一些基本特征。開關磁阻電動機最大的缺點是：控制復雜、開關電路增加以及噪音問題。

根據新能源汽車驅動電機自身的性能特點要求，目前市場上車型選用的驅動電機也各有不同。 而且，由于每種電機的結構和原理不同，應用范圍也大不相同。根據國家的產業戰略規劃，圍繞環保型新能源汽車的電驅動系統方向進行的研究將會越來越廣泛，電機種類和技術水平也會不斷提高。




審核編輯：劉清