簡(jiǎn)單分析新能源汽車(chē)上各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的原理

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)三大核心系統(tǒng)之一，是車(chē)輛行駛的主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特性決定了車(chē)輛的主要性能指標(biāo)，直接影響車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和用戶駕乘感受。

電動(dòng)汽車(chē)有不同的傳動(dòng)系統(tǒng)可供選擇，電動(dòng)機(jī)的放置，對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力輸送和車(chē)輛用途起著非常重要的作用。電動(dòng)汽車(chē)可以有多種不同的配置，比如單電機(jī)、雙電機(jī)、三電機(jī)或每個(gè)車(chē)輪一個(gè)單獨(dú)的電機(jī)，在詳細(xì)介紹這些電動(dòng)機(jī)配置之前，讓我們先了解一下電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)中的工作原理。

電動(dòng)機(jī)的工作原理

電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，是一種物理過(guò)程，即利用電流在稱為定子的固定部件上產(chǎn)生磁場(chǎng)，帶動(dòng)稱為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)動(dòng)電能，由于馬達(dá)相連的電池提供給定子由導(dǎo)線制成的線圈，分別布置在定子或定子的兩側(cè)，在某種程度上起到磁鐵的作用。因此，當(dāng)汽車(chē)電池的電能供應(yīng)給電機(jī)時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)汽車(chē)齒輪所需的機(jī)械能從而轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎，這就是電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單工作原理，下面我們來(lái)介紹不同的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型以及他們的作用。

純電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)常采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)四類(lèi)。電動(dòng)汽車(chē)常用的四種驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能比較見(jiàn)下表。



無(wú)刷直流一種最簡(jiǎn)單的直流電動(dòng)機(jī)，是使用電刷通過(guò)機(jī)械換向?qū)㈦娏鱾鬏數(shù)綋Q向器，電樞是一個(gè)電磁鐵磁場(chǎng)，磁體是永久磁體。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠在低速時(shí)提供最大扭矩，但是它的缺點(diǎn)也很突出：結(jié)構(gòu)笨重、電刷效率低、工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多熱量，因此，電動(dòng)汽車(chē)中很少使用有刷直流電動(dòng)機(jī)。

有刷直流電動(dòng)機(jī)是一種帶有永磁體的，它被稱為無(wú)刷是因?yàn)樗鼪](méi)有換向器和電刷裝置，它具有牽引特性，如高啟動(dòng)扭矩：高效率約95%至98%；并且采用高功率密度設(shè)計(jì)方法，適用于最大功率為60千瓦的小型汽車(chē)。缺點(diǎn)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(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)成為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

在交流異步電機(jī)中，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)時(shí)，定子中的通入三相電流為激磁電流，提供磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上繞組提供導(dǎo)體，當(dāng)通過(guò)外部機(jī)械力，比如汽車(chē)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子軸，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)速高于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)交流異步電機(jī)即為發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子此時(shí)切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向與作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子工作時(shí)相反，因而轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也相反。在發(fā)電過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子受到與外力拖動(dòng)相反的電磁阻力矩，使轉(zhuǎn)子速度下降。

交流異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輸出扭矩可以在大范圍內(nèi)調(diào)整，能在加速或者爬坡時(shí)短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)制提高輸出扭矩，缺點(diǎn)是電機(jī)由于單邊勵(lì)磁，啟動(dòng)電流較大，產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)矩需要的電流較大，而且定子中存在無(wú)功勵(lì)磁電流，因此能耗比永磁同步電機(jī)大，功率因數(shù)滯后；重載驅(qū)動(dòng)時(shí)常出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其控制技術(shù)要求高，制造成本高；功率密度相對(duì)低。目前，美國(guó)研制的電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)多采用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

永磁同步電機(jī)是將永久磁鐵取代他勵(lì)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，形成同步旋轉(zhuǎn)的磁極。 它像無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)相比，它也很昂貴。它的優(yōu)點(diǎn)是：可以在不同的速度范圍內(nèi)運(yùn)行而不需要使用齒輪系統(tǒng)的輔助，即使低速行駛它也有很高的扭矩。缺點(diǎn)是在高速運(yùn)行期間電動(dòng)機(jī)的損傷會(huì)很大。

工作原理：啟動(dòng)和運(yùn)行是由定子繞組、轉(zhuǎn)子鼠籠繞組和永磁體這三者產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用而形成。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī)，又稱“開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，這種電動(dòng)機(jī)主要包括開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感器及控制器四部分。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、前后軸承、前后端蓋和電機(jī)殼體等。其中，定子包括定子鐵心和繞組。定子鐵心和轉(zhuǎn)子都采用凸極結(jié)構(gòu)，定子凸極鐵心和轉(zhuǎn)子都由硅鋼片疊加而成，定子凸極上布置繞組，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組和永磁體。

它是雙凸度可變磁阻電動(dòng)機(jī)的一種，簡(jiǎn)單而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)子是一個(gè)單一的層壓鋼沒(méi)有繞組或永久磁鐵，這降低了行車(chē)時(shí)的慣性，有助于加速。它的堅(jiān)固性使其更加適合運(yùn)用在高速上，它還提供了高功率密度，這也是電動(dòng)汽車(chē)的一些基本特征。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最大的缺點(diǎn)是：控制復(fù)雜、開(kāi)關(guān)電路增加以及噪音問(wèn)題。

根據(jù)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)自身的性能特點(diǎn)要求，目前市場(chǎng)上車(chē)型選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也各有不同。 而且，由于每種電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理不同，應(yīng)用范圍也大不相同。根據(jù)國(guó)家的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，圍繞環(huán)保型新能源汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方向進(jìn)行的研究將會(huì)越來(lái)越廣泛，電機(jī)種類(lèi)和技術(shù)水平也會(huì)不斷提高。




審核編輯：劉清