新能源汽车驱动电机的分类及工作原理

本文介绍了新能源汽车驱动电机的分类、特点，以及交流电机与直流电机的工作原理，是一篇很好的新能源汽车电机科普文章。

什么是电机

电机，顾名思义，就是将电能与机械能相互转换的一种电力原件。当电能转化为机械能时，电机表现出的就是电动机的工作特性，当机械能转化为电能时，电机表现出的就是发电机的工作特性，结合到新能源汽车上，新能源汽车在放电状态下驱动车辆前进或者后退时，表现出的就是电动机特性，在车辆松开加速踏板或者踩下制动踏板时，表现出的就是发电机特性。

驱动电机的分类

现阶段的新能源汽车常用的驱动电机包括两种，永磁同步电机及交流异步电机，且大多数新能源汽车采用的是永磁同步电机，只有少部分车辆采用了交流异步电机。这两种类型的电机均属于交流电机。

对于低速电动车来说，更多采用的是直流电机。直流电机也是最早应用于电动汽车的电机，这种电机的特点是控制性能好，成本低。但是随着电子技术、机械制造技术及自动控制技术的发展，交流电机表现出了比直流电机更加优越的性能，所以逐步取代了直流电机。

新能源汽车对驱动电机的要求

01

重量轻、体积小

新能源汽车轻量化和有效空间的需求使得驱动电机在达到要求的同时必须重量轻、体积小，降低整车整备质量，为汽车动力性和续航做贡献。

02

长寿命、高可靠性

驱动电机作为汽车的核心部件，防尘、防水、防震等性能的要求必须符合要求，寿命及可靠性必须和整车一样，在整个汽车的生命周期基本不会出现任何问题。

03

高耐压性

在允许的范围内应尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。

04

整个转速范围的高效率

为了保证续驶里程长，驱动电机在整个转速范围尽可能高效率运行，特别是路况复杂以及行驶方式频繁改变时，低负荷运行也应该具有较高的效率。

05

低速大扭矩特性和较宽范围的恒功率特性

驱动电机应具有汽车行驶所需要的转矩特性，满足汽车启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率及转矩。

06

电气系统的安全性

目前，市场上新能源汽车的工作电压基本上在300V以上，对电气系统包括电机的安全性，都必须符合相关车辆电气控制的安全性能标准和规定。

交流电动机的构造是怎样的

交流电动机主要有两大部件：定子和转子。定子是最外面的圆筒，圆筒内侧缠绕有很多绕组，这些绕组与外部交流电源接通，整个圆筒则与机座连接在一起，固定不动，因此称为“定子”。

在定子内部，要么是缠绕有很多绕组的圆柱体，要么是笼型结构的圆柱体，它们与电动机的动力输出轴连接在一起并同速旋转，因此称为“转子”。转子与定子之间没有任何连接和接触，但是当定子上的绕组接通交流电源时，转子就会立刻旋转并输出动力。

异步电动机是怎样产生动力的

交流电动机的工作原理：通电绕组在旋转磁场里转动。电动机中的定子和转子并不接触，为什么给定子绕组通上交流电后，转子就会旋转呢？其工作原理用到两大电磁定律：电磁感应定律和楞次定律。当定子上缠绕的绕组通上交流电后，由于交流电的特性，定子绕组就会产生一个旋转的电磁场。转子上的绕组是一个闭环导体，它处在定子的旋转磁场中就相当于在不停地切割定子的磁感应线。根据法拉第电磁感应定律，闭合导体的一部分在磁场中做切割磁感应线的运动时，导体中就会产生电流。

根据楞次定律，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，也就是尽力使转子上的导体不再切割定子旋转磁场的磁感应线，这样的结果就是：转子上的导体会“追赶”定子的旋转电磁场，也就是使转子追着定子旋转磁场跑，最终使电动机开始旋转。由于转子总是在“追赶”定子旋转磁场的旋转速度，并且为了能够切割磁感应线而产生感应电流，转子的转速总要比定子电磁场的转速慢一点点（2%~6%），也就是异步运行，所以才将这种产生感应电流的电动机称为异步电动机。

永磁同步电动机是怎样产生动力的

在异步电动机中，转子磁场的形成要分两步走：第一步是定子旋转磁场先使转子绕组产生感应电流；第二步是感应电流再产生转子磁场。在楞次定律的作用下，转子跟随定子旋转磁场转动，但又“永远追不上”，因此才称其为异步电动机。如果转子绕组中的电流不是由定子旋转磁场感应的，而是自己产生的，则转子磁场与定子旋转磁场无关，而且其磁极方向是固定的，那么根据同性相斥、异性相吸的原理，定子的旋转磁场就会推拉转子旋转，使转子磁场和转子本身，一起与定子旋转磁场“同步”旋转。这就是同步电动机的工作原理。

永磁同步电动机有什么特点

永磁同步电动机具有较高的功率质量比，体积更小，质量更轻，输出转矩更大，电动机的极限转速和制动性能也比较优异，因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用最多的电动机。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降，或发生退磁现象，有可能降低永磁电动机的性能。另外，稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料，制造成本不太稳定。

直流电动机是怎样工作的

相对而言，直流电动机的构造与原理要比交流电动机简单得多。它的定子结构与交流电动机的定子有很大不同，它的定子磁场是一个固定磁场，并不会像交流电动机的定子磁场那样旋转。它的转子绕组接通直流电源后，也产生一个转子磁场。当定子磁场与转子磁场相互作用时，根据同性相斥、异性相吸的原理，转子绕组的一侧就会受到排斥，另一侧则会受到吸引，这样转子就会在两个磁场的相互作用下开始转动。但是，由于定子的电磁场是固定不变的，转子绕组只能转半圈就会停止不动（见图1、图2）。但是，如果此时采用换向器，将转子绕组中的电流方向改变，也就等同于改变了转子电磁场的方向，从而在同性相斥、异性相吸的电磁原理作用下，转子绕组又会继续转半圈（见图3、图4）。然后，转子绕组电流再改变方向，转子又会转半圈。就这样周而复始，转子绕组中的电流方向总在改变，那么转子就会不停地连续旋转起来。直流电动机效率低，其换向器和电刷需要定期维护，运行成本高，运用场合有限，可靠性差，因此应用较少。