新能源汽車驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能優(yōu)缺點介紹

引言

基于新能源汽車驅(qū)動電機的基本性能要求，目前常用驅(qū)動電機類型主要包括三大類，即交流異步電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機。目前，各車企配套車型統(tǒng)計中，每個車型選用的驅(qū)動電機類型也有所不同。

因此，要進行新能源汽車搭載電機類型選用，了解驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能優(yōu)缺點非常重要。

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交流異步電機

1.1交流異步電機結(jié)構(gòu)

交流異步電機，也稱感應電機，結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、電機軸、前后軸承、端蓋、位置傳感器、溫度傳感器、低壓線束和高壓動力線束。定子由定子鐵心和三相繞組組成；轉(zhuǎn)子常用籠型轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)子鐵心和籠型繞組。根據(jù)電機的功率不同會選擇水冷或者風冷方式。（圖1）

1.2交流異步電機的工作原理

1.2.1交流異步電機的驅(qū)動工作原理

1.2.1.1定子提供旋轉(zhuǎn)磁場

交流異步電機要驅(qū)動提供扭矩，需要在定子線圈中通入三相交流電，產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)的磁場（磁場轉(zhuǎn)速為ns）。交流異步電機要求定子三相繞組必須對稱，并且定子鐵心空間上互差120度電角度；通入三相對稱繞組的電流也必須對稱，大小、頻率相同，相位相差120度。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，見式（1）。

ns=60f/p（1）

式中，ns為旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（也稱同步轉(zhuǎn)速），r/min；f為三相交流電頻率，Hz；p為磁極對數(shù)。對已經(jīng)設計定型生產(chǎn)的驅(qū)動電機，磁級對數(shù)已經(jīng)確定，因此決定磁場旋轉(zhuǎn)速度的因素為三相交流電頻率。由于我國的電網(wǎng)頻率f=50Hz，因此電機的轉(zhuǎn)速和磁極對數(shù)有線性關(guān)系。（圖2）

1.2.1.2籠型轉(zhuǎn)子提供感應渦流

由于定子提供旋轉(zhuǎn)的磁場，籠型轉(zhuǎn)子導體上感應出電渦流，如圖3所示。在籠型繞組導體c和b之間的導磁區(qū)域內(nèi)，有向外的磁力線，并且該磁力線在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下增強，因此，導體c、b上會感應出i1電渦流；同理，導體a和導體b區(qū)域內(nèi)減弱的磁力線會在導體上感應出i2電渦流。導體b上的電流在定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，會使籠型繞組b導體受到電磁力，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，旋轉(zhuǎn)起來。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子逐漸追上旋轉(zhuǎn)磁場，以比磁場的“同步速度ns”稍慢的速度n旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度n比定子磁場的速度ns稍慢的現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)子發(fā)生了轉(zhuǎn)差，這種異步轉(zhuǎn)差，讓籠型轉(zhuǎn)子導體持續(xù)切割磁力線產(chǎn)生感應電渦流，由此，在轉(zhuǎn)子上，電能轉(zhuǎn)化成機械能，保證持續(xù)對外輸出。

1.2.2交流異步電機的發(fā)電工作原理

根據(jù)法拉第電磁感應定律，閉合電路的一部分導體在磁場里切割磁感線的運動時，導體中就會產(chǎn)生感應電流，產(chǎn)生的電動勢成為感應電動勢。在交流異步電機中，電動機作為發(fā)電機時，定子中的通入三相電流為激磁電流，提供磁場，轉(zhuǎn)子上繞組提供導體，當通過外部機械力，比如汽車驅(qū)動軸帶動轉(zhuǎn)子軸，從而帶動轉(zhuǎn)子運動時，如果轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)速高于定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，此時交流異步電機即為發(fā)電機，轉(zhuǎn)子此時切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向與作為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子工作時相反，因而轉(zhuǎn)子感應電動勢的方向也相反。在發(fā)電過程中，電機轉(zhuǎn)子受到與外力拖動相反的電磁阻力矩，使轉(zhuǎn)子速度下降。

1.3交流異步電機的優(yōu)缺點和應用范圍

交流異步電機的優(yōu)點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短時間內(nèi)強制提高輸出扭矩，永磁同步電機的電驅(qū)動汽車通常通過增加齒輪箱機構(gòu)來增加扭矩以提升速度。但是交流異步電機的缺點是電機由于單邊勵磁，啟動電流較大，產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)矩需要的電流較大，而且定子中存在無功勵磁電流，因此能耗比永磁同步電機大，功率因數(shù)滯后；重載驅(qū)動時常出現(xiàn)過負荷現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)相對復雜，其控制技術(shù)要求高，制造成本高；功率密度相對低。目前，美國研制的電驅(qū)動汽車多采用交流異步電機作為驅(qū)動電機。

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永磁同步電機

2.1永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、電機軸、前后軸承、端蓋、冷卻水道、位置傳感器、溫度傳感器、低壓線束和動力線束。定子由定子鐵心和三相繞組組成；轉(zhuǎn)子由永磁體磁極和鐵心組成，鐵心用硅鋼片疊成。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子中的布置方式，主要包括表面凸出式永磁轉(zhuǎn)子、表面嵌入式永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子，目前新能源電機常用內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子。（圖4）

2.2永磁同步電機的工作原理

2.2.1永磁同步電機的驅(qū)動工作原理

由定子提供旋轉(zhuǎn)的磁場，磁場產(chǎn)生的方式和轉(zhuǎn)速與交流異步電機相同。由轉(zhuǎn)子永磁體提供磁極。這樣，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子永磁體磁極和轉(zhuǎn)子鐵心，形成回路。根據(jù)磁阻最小原理，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用旋轉(zhuǎn)磁場的電磁力拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，于是永磁轉(zhuǎn)子就會跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，從而帶動電機軸旋轉(zhuǎn)。

2.2.2永磁同步電機的發(fā)電原理

根據(jù)法拉第電磁感應定律，閉合電路的一部分導體是由三相定子繞組提供，磁場由轉(zhuǎn)子上的永磁體提供，當外部力矩帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，切割三相定子繞組中的部分導體，產(chǎn)生感應三相對稱電流，此時轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)化為電能，永磁同步電機作為發(fā)電機工作。

2.3永磁同步電機的優(yōu)缺點和應用范圍

永磁同步電機的優(yōu)點是體積小，質(zhì)量輕，功率密度高，相比于異步電機能耗小，溫升低，效率高。可以根據(jù)需求，設計成高啟動轉(zhuǎn)矩，高過載能力的結(jié)構(gòu)電機。永磁同步電機嚴格同步，動態(tài)響應性能較好，適合變頻控制，調(diào)整電流與頻率即可很大范圍調(diào)整電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。但是，永磁同步電機中永磁材料通常采用釹鐵硼強磁材料，這種材料較為脆硬，受到強烈震動有可能碎裂；而且轉(zhuǎn)子采用永磁材料，在電機使用和過溫情況下會出現(xiàn)磁衰退，造成動力下降。目前，永磁同步電機在新能源汽車電機中應用比較廣泛，亞洲和歐洲新能源市場主要采用永磁同步電機作為新能源電機。

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開關(guān)磁阻電機

3.1開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電動機是一種典型的機電一體化電動機，又稱“開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)”，這種電動機主要包括開關(guān)磁阻電動機本體、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感器及控制器四部分，如圖5所示。開關(guān)磁阻電動機本體主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、前后軸承、前后端蓋和電機殼體等，如圖6所示。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)子無繞組和永磁體。

三相6/4極結(jié)構(gòu)表明電動機定子有6個凸極，轉(zhuǎn)子有個凸極，其中在定子相對稱的兩個凸極上的集中繞組互相串聯(lián)，構(gòu)成一相，相數(shù)為定子凸極數(shù)/2，如圖7（a）所示。三相12/8極結(jié)構(gòu)表明電動機定子有12個凸極，轉(zhuǎn)子有8個凸極，其中在定子的4個兩兩對稱凸極上的繞組互相串聯(lián)，構(gòu)成一相，相數(shù)為定子凸極數(shù)/4，如圖7（b）所示。

開關(guān)磁阻電機相數(shù)越多，步進角越小，運轉(zhuǎn)越平穩(wěn)，越有利于減小轉(zhuǎn)矩波動，但控制越復雜，以致主開關(guān)器件增多和成本增加。

步進角的計算，見式（2）：

α=360°×（定子極數(shù)-轉(zhuǎn)子極數(shù)）/（定子極數(shù)）（2）如三相6/4極電動機，其步進角a=360°×2（/6×4）=30°。

3.2開關(guān)磁阻電機的工作原理

3.2.1開關(guān)磁阻電機的驅(qū)動工作原理

由圖8中的三相12/8極開關(guān)磁阻電機工作原理圖可知，當A相繞組電流控制主開關(guān)S1、S2閉合時，A相通電勵磁，電動機內(nèi)所產(chǎn)生的磁場力以OA為軸線的徑向磁場，該磁場磁力線在通過定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極的氣隙處是彎曲的，此時，磁路的磁阻大于定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極重合時的磁阻，因此，轉(zhuǎn)子凸極受到磁場拉力的作用，使轉(zhuǎn)子極軸線Oa與定子極軸線OA的重合，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動起來。關(guān)斷A相電，建立B相電源，則此時電機內(nèi)磁場旋轉(zhuǎn)30度，則轉(zhuǎn)子在此時電磁拉力的作用下，連續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)15度。如果順序給A-B-C-A相繞組通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動起來；當各相中的定子繞組輪流通電一次時，定子磁場轉(zhuǎn)過3×30度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子極距3×15度（即360度/轉(zhuǎn)子凸極數(shù)）。如果依次給A-C-B-A相繞組通電，則轉(zhuǎn)子會沿著順時針方向轉(zhuǎn)動。開關(guān)磁阻電動機與電流的方向無關(guān)，取決于對定子相繞組的通電順序。在多相電動機的實際運行中，也經(jīng)常出現(xiàn)兩相或兩相以上繞組同時導通的情況。

3.2.2開關(guān)磁阻電機的發(fā)電工作原理

開關(guān)磁阻發(fā)電機工作狀態(tài)相電感存在三種狀態(tài)，勵磁狀態(tài)、續(xù)流狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)，其相電感L波形如圖10所示。

圖9中，θ角定義為該相轉(zhuǎn)子齒極軸線與定子齒槽軸線之間的夾角。轉(zhuǎn)子齒極軸線與相應的定子齒槽軸線重合時，該相電感最小（定義為θ=0°）；直至轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子凸極的后沿相遇時（θ=θ1），繞組相電感始終保持Lmin不變；當轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子凸極開始和定子凸極出現(xiàn)重合，直至轉(zhuǎn)子凸極后沿和定子凸極后沿完全重合（此時θ=θ2），繞組相電感在此區(qū)域內(nèi)線性上升，直至最大值Lmax；當轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動至轉(zhuǎn)子凸極的前沿和定子凸極的前沿重合時，此時θ=θ4，該相電感持續(xù)Lmax。

根據(jù)電磁場基本理論，伴隨磁場的存在，電機轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩同時存在，可以表示為式（3）。

如果開關(guān)磁阻電機的繞組在θ3和θ4之間開通和關(guān)斷，則電機作發(fā)電機機運行。此時，在電感下降區(qū)形成電流，則dL/dθ＜0，此時相繞組有電流通過，則產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩（T（θ，i）＜0），若外界機械力維持電機轉(zhuǎn)動，則電機吸收機械能，并把它轉(zhuǎn)換成電能輸出，此時開關(guān)磁阻電機為發(fā)電機工作模式。

3.3開關(guān)磁阻電機的優(yōu)缺點和應用范圍

開關(guān)磁阻電機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單可靠，啟動性能好，效率高，成本低，可以通過改變導通、關(guān)斷角度和電壓來調(diào)速，擁有較寬的調(diào)速范圍和能力。開關(guān)磁阻電機的缺點是轉(zhuǎn)矩脈動較大，噪音較大。目前在一些小型電驅(qū)動車輛上使用，比如電驅(qū)動四輪代步車、巡邏車等。

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結(jié)束語

根據(jù)新能源汽車驅(qū)動電機自身的性能特點要求，目前市場上車型選用的驅(qū)動電機也各有不同。文中描述了目前常用的新能源驅(qū)動電機交流異步電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，將有助于更好地了解驅(qū)動電機。

而且，由于每種電機的結(jié)構(gòu)和原理不同，應用范圍也大不相同。根據(jù)國家的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，圍繞環(huán)保型新能源汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)方向進行的研究將會越來越廣泛，電機種類和技術(shù)水平也會不斷提高。

編輯：黃飛

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