浅析丨新能源汽车各种驱动电机原理

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· 摘要 驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。 电动汽车有不同的传动系统可供选择，电动机的放置，对车辆的动力输送和车辆用途起着非常重要的作用。电动汽车可以有多种不同的配置，比如单电机、双电机、三电机或每个车轮一个单独的电机，在详细介绍这些电动机配置之前，让我们先了解一下电动机在电动汽车中的工作原理。 电动机的工作原理 电动汽车发动机的工作原理，是一种物理过程，即利用电流在称为定子的固定部件上产生磁场，带动称为转子的旋转部件运动电能，由于马达相连的电池提供给定子由导线制成的线圈，分别布置在定子或定子的两侧，在某种程度上起到磁铁的作用。因此，当汽车电池的电能供应给电机时线圈会产生旋转磁场，旋转的转子产生转动汽车齿轮所需的机械能从而转动轮胎，这就是电动机的简单工作原理，下面我们来介绍不同的电动机类型以及他们的作用。 各类新能源电机优劣对比 根据电机的工作原理和结构有多种分类，按电机的驱动电流的类型来划分，主要的电机分类如下图所示。 驱动电机分类 纯电动汽车经常采用的驱动电机有直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机四类。电动汽车常用的四种驱动电机性能比较见下表。 常用驱动电机性能比较表 ▌直流电动机 直流电机分为有刷直流电机与无刷直流电机； 无刷直流一种最简单的直流电动机，是使用电刷通过机械换向将电流传输到换向器，电枢是一个电磁铁磁场，磁体是永久磁体。它的优点是能够在低速时提供最大扭矩，但是它的缺点也很突出：结构笨重、电刷效率低、工作时会产生较多热量，因此，电动汽车中很少使用有刷直流电动机。 有刷直流电动机是一种带有永磁体的，它被称为无刷是因为它没有换向器和电刷装置，它具有牵引特性，如高启动扭矩：高效率约95%至98%；并且采用高功率密度设计方法，适用于最大功率为60千瓦的小型汽车。缺点是恒定功率范围短，随着速度的增加而扭矩减少、用磁体成本高。 ▌异步电机 根据法拉第电磁感应定律，闭合电路的一部分导体在磁场里切割磁感线的运动时，导体中就会产生感应电流，产生的电动势成为感应电动势。在交流异步电机中，电动机作为发电机时，定子中的通入三相电流为激磁电流，提供磁场，转子上绕组提供导体，当通过外部机械力，比如汽车驱动轴带动转子轴，从而带动转子运动时，如果转子上的转速高于定子旋转磁场的同步转速，此时交流异步电机即为发电机，转子此时切割旋转磁场的方向与作为驱动电机转子工作时相反，因而转子感应电动势的方向也相反。在发电过程中，电机转子受到与外力拖动相反的电磁阻力矩，使转子速度下降。 交流异步电机的优点是输出扭矩可以在大范围内调整，能在加速或者爬坡时短时间内强制提高输出扭矩，缺点是电机由于单边励磁，启动电流较大，产生单位转矩需要的电流较大，而且定子中存在无功励磁电流，因此能耗比永磁同步电机大，功率因数滞后；重载驱动时常出现过负荷现象；结构相对复杂，其控制技术要求高，制造成本高；功率密度相对低。目前，美国研制的电驱动汽车多采用交流异步电机作为驱动电机。 ▌永磁同步电动机 永磁同步电机是将永久磁铁取代他励同步电机的转子励磁绕组，将磁铁插入转子内部，形成同步旋转的磁极。 它像无刷直流电动机一样有永磁体，具有高功率密度高效率等牵引特性，可用于更高的额定功率，与其他电动机相比，它也很昂贵。它的优点是：可以在不同的速度范围内运行而不需要使用齿轮系统的辅助，即使低速行驶它也有很高的扭矩。缺点是在高速运行期间电动机的损伤会很大。 工作原理：启动和运行是由定子绕组、转子鼠笼绕组和永磁体这三者产生的磁场的相互作用而形成。 ▌开关磁阻电机 开关磁阻电动机是一种典型的机电一体化电动机，又称“开关磁阻电动机驱动系统”，这种电动机主要包括开关磁阻电动机本体、功率变换器、转子位置传感器及控制器四部分。开关磁阻电动机本体主要结构包括定子、转子、位置传感器、前后轴承、前后端盖和电机壳体等。其中，定子包括定子铁心和绕组。定子铁心和转子都采用凸极结构，定子凸极铁心和转子都由硅钢片叠加而成，定子凸极上布置绕组，转子无绕组和永磁体。 它是双凸度可变磁阻电动机的一种，简单而坚固的结构，它的转子是一个单一的层压钢没有绕组或永久磁铁，这降低了行车时的惯性，有助于加速。它的坚固性使其更加适合运用在高速上，它还提供了高功率密度，这也是电动汽车的一些基本特征。开关磁阻电动机最大的缺点是：控制复杂、开关电路增加以及噪音问题。 结语 根据新能源汽车驱动电机自身的性能特点要求，目前市场上车型选用的驱动电机也各有不同。 而且，由于每种电机的结构和原理不同，应用范围也大不相同。根据国家的产业战略规划，围绕环保型新能源汽车的电驱动系统方向进行的研究将会越来越广泛，电机种类和技术水平也会不断提高。

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