新能源汽车驱动电机作用及工作原理

2024-03-28

一、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。

二、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。

1. 交流电机

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。

2. 异步电机

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。

3. 永磁同步电机

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。

三、驱动电机的作用

驱动电机、电控系统、动力电池是电动汽车的核心部分，称为“三电”。在电动汽车上，驱动电机替代了传统汽车上的发动机和发电机，传统汽车通常是把化学能转换为机械能驱动车辆行驶，而驱动电机既可以将电能转换为机械能驱动汽车行驶，也可以作为发电机将机械能转换为电能，并存储在动力电池内。

电机控制器将动力电池的高压直流电变换为驱动电机的高压三相交流电，使驱动电机产生力矩，并通过传动装置将驱动电机的旋转运动传递给车轮，驱动汽车行驶。

四、电动汽车电机的基本要求

1. 电机结构紧凑、尺寸小，封装尺寸有限，必须根据具体产品进行特殊设计。

2. 重量轻，以减轻车辆的整体重量。应尽量采用铝合金外壳，同时转速要高，以减轻整车的质量，增加电机与车体的适配性，扩大车体可利用空间，从而提高乘坐的舒适性。

3. 可靠性高、失效模式可控，以保证乘车者的安全。

4. 提供精确的力矩控制，动态性能较好。

5. 效率高，功率密度较高。要保证在较宽的转速和转矩范围内都有很高的效率，以降低功率损耗，提高一次充电的续驶里程。

6. 成本低，以降低车辆生产的整体费用。

7. 调速范围宽。应包括恒转矩区和恒功率区，低速运行输出的恒定转矩大，以满足汽车快速启动、加速、负荷爬坡等要求；高速运行输出恒定功率，有较大的调速范围，以满足平坦的路面、超车等高速行驶的要求。

8. 瞬时功率大，过载能力强。要保证汽车具有4~5倍的过载能力，以满足短时内加速行驶与最大爬坡的要求。

9. 环境适应性好。要适应汽车本身行驶的不同区域环境，即使在较恶劣的环境中也能够正常工作，具有良好的耐高温、耐潮湿性能。

五、驱动电机的工作原理

动力电池的直流电经过高压配电箱，通过电机控制器中的 DC/AC 变换器将直流电逆变成交流电，提供给永磁同步电机，进而永磁同步电机驱动汽车行驶。

当车辆滑行或制动时，电机控制器控制驱动电机使其处于发电状态，驱动电机利用车辆动能发电，通过电机控制器中的 AC/DC 变换器将三相交流电整流成直流电，回收能量存入动力电池。

为避免驱动电机在工作过程中温度过高，电机冷却循环水管中的冷却液可将多余的热量带走，使其保持在正常的工作温度范围内。