新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類、結(jié)構(gòu)及工作原理介紹
電機(jī)，顧名思義，就是將電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的一種電力原件。當(dāng)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)，電機(jī)表現(xiàn)出的就是電動(dòng)機(jī)的工作特性，當(dāng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，電機(jī)表現(xiàn)出的就是發(fā)電機(jī)的工作特性，結(jié)合到新能源汽車上，新能源汽車在放電狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)或者后退時(shí)，表現(xiàn)出的就是電動(dòng)機(jī)特性，在車輛松開加速踏板或者踩下制動(dòng)踏板時(shí)，表現(xiàn)出的就是發(fā)電機(jī)特性。
現(xiàn)階段的新能源汽車常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括兩種，永磁同步電機(jī)及交流異步電機(jī)，且大多數(shù)新能源汽車采用的是永磁同步電機(jī)，只有少部分車輛采用了交流異步電機(jī)。這兩種類型的電機(jī)均屬于交流電機(jī)。
對(duì)于低速電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，更多采用的是直流電機(jī)。直流電機(jī)也是最早應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)，這種電機(jī)的特點(diǎn)是控制性能好，成本低。但是隨著電子技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)表現(xiàn)出了比直流電機(jī)更加優(yōu)越的性能，所以逐步取代了直流電機(jī)。
新能源汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求
01
新能源汽車輕量化和有效空間的需求使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)在達(dá)到要求的同時(shí)必須重量輕、體積小，降低整車整備質(zhì)量，為汽車動(dòng)力性和續(xù)航做貢獻(xiàn)。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為汽車的核心部件，防塵、防水、防震等性能的要求必須符合要求，壽命及可靠性必須和整車一樣，在整個(gè)汽車的生命周期基本不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。
在允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能采用高電壓，可以減小電動(dòng)機(jī)的尺寸和導(dǎo)線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。
為了保證續(xù)駛里程長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍盡可能高效率運(yùn)行，特別是路況復(fù)雜以及行駛方式頻繁改變時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)行也應(yīng)該具有較高的效率。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有汽車行駛所需要的轉(zhuǎn)矩特性，滿足汽車啟動(dòng)、加速、行駛、減速、制動(dòng)等所需的功率及轉(zhuǎn)矩。
目前，市場(chǎng)上新能源汽車的工作電壓基本上在300V以上，對(duì)電氣系統(tǒng)包括電機(jī)的安全性，都必須符合相關(guān)車輛電氣控制的安全性能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。
交流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造是怎樣的
交流電動(dòng)機(jī)主要有兩大部件：定子和轉(zhuǎn)子。定子是最外面的圓筒，圓筒內(nèi)側(cè)纏繞有很多繞組，這些繞組與外部交流電源接通，整個(gè)圓筒則與機(jī)座連接在一起，固定不動(dòng)，因此稱為“定子”。
在定子內(nèi)部，要么是纏繞有很多繞組的圓柱體，要么是籠型結(jié)構(gòu)的圓柱體，它們與電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出軸連接在一起并同速旋轉(zhuǎn)，因此稱為“轉(zhuǎn)子”。轉(zhuǎn)子與定子之間沒有任何連接和接觸，但是當(dāng)定子上的繞組接通交流電源時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)立刻旋轉(zhuǎn)并輸出動(dòng)力。
交流電動(dòng)機(jī)的工作原理：通電繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)里轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子并不接觸，為什么給定子繞組通上交流電后，轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)呢？其工作原理用到兩大電磁定律：電磁感應(yīng)定律和楞次定律。當(dāng)定子上纏繞的繞組通上交流電后，由于交流電的特性，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子上的繞組是一個(gè)閉環(huán)導(dǎo)體，它處在定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中就相當(dāng)于在不停地切割定子的磁感應(yīng)線。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，閉合導(dǎo)體的一部分在磁場(chǎng)中做切割磁感應(yīng)線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流。
根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因，也就是盡力使轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體不再切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線，這樣的結(jié)果就是：轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體會(huì)“追趕”定子的旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，也就是使轉(zhuǎn)子追著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)跑，最終使電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子總是在“追趕”定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，并且為了能夠切割磁感應(yīng)線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總要比定子電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速慢一點(diǎn)點(diǎn)（2%~6%），也就是異步運(yùn)行，所以才將這種產(chǎn)生感應(yīng)電流的電動(dòng)機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)。
永磁同步電動(dòng)機(jī)是怎樣產(chǎn)生動(dòng)力的
在異步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的形成要分兩步走：第一步是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)先使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流；第二步是感應(yīng)電流再產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。在楞次定律的作用下，轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但又“永遠(yuǎn)追不上”，因此才稱其為異步電動(dòng)機(jī)。如果轉(zhuǎn)子繞組中的電流不是由定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)的，而是自己產(chǎn)生的，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)無(wú)關(guān)，而且其磁極方向是固定的，那么根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就會(huì)推拉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子本身，一起與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)“同步”旋轉(zhuǎn)。這就是同步電動(dòng)機(jī)的工作原理。
永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較高的功率質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)已成為現(xiàn)今電動(dòng)汽車應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。但永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，有可能降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能。另外，稀土式永磁同步電動(dòng)機(jī)要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)定。
相對(duì)而言，直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造與原理要比交流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單得多。它的定子結(jié)構(gòu)與交流電動(dòng)機(jī)的定子有很大不同，它的定子磁場(chǎng)是一個(gè)固定磁場(chǎng)，并不會(huì)像交流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)那樣旋轉(zhuǎn)。它的轉(zhuǎn)子繞組接通直流電源后，也產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。當(dāng)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用時(shí)，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，轉(zhuǎn)子繞組的一側(cè)就會(huì)受到排斥，另一側(cè)則會(huì)受到吸引，這樣轉(zhuǎn)子就會(huì)在兩個(gè)磁場(chǎng)的相互作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，由于定子的電磁場(chǎng)是固定不變的，轉(zhuǎn)子繞組只能轉(zhuǎn)半圈就會(huì)停止不動(dòng)（見圖1、圖2）。但是，如果此時(shí)采用換向器，將轉(zhuǎn)子繞組中的電流方向改變，也就等同于改變了轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)的方向，從而在同性相斥、異性相吸的電磁原理作用下，轉(zhuǎn)子繞組又會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)半圈（見圖3、圖4）。然后，轉(zhuǎn)子繞組電流再改變方向，轉(zhuǎn)子又會(huì)轉(zhuǎn)半圈。就這樣周而復(fù)始，轉(zhuǎn)子繞組中的電流方向總在改變，那么轉(zhuǎn)子就會(huì)不停地連續(xù)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。直流電動(dòng)機(jī)效率低，其換向器和電刷需要定期維護(hù)，運(yùn)行成本高，運(yùn)用場(chǎng)合有限，可靠性差，因此應(yīng)用較少。
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