新能源汽车电机分类及工作原理

一、直流电机与交流电机

电机是一种将电能转换为机械能的设备，常见的有直流电机和交流电机两种类型。下面简要介绍它们的原理：

直流电机（DC Motor）:
- 原理: 直流电机的工作原理基于洛伦兹力定律，即电流通过导线时，会在磁场中受到力的作用。直流电机由定子（固定部分）和转子（旋转部分）组成。定子产生磁场，而转子通常是一个带有线圈的导体。当电流通过转子线圈时，根据洛伦兹力定律，线圈会受到力的作用而旋转。
- 构造: 主要包括电刷、换向器、转子、定子等部件。电刷和换向器用于将电流引入和引出转子。
- 特点: 直流电机具有较高的效率和良好的控制性能，但结构复杂，成本较高。
交流电机（AC Motor）:
- 原理: 交流电机的工作原理同样基于洛伦兹力定律，但它们使用交流电作为电源。交流电机可以分为同步电机和异步电机（感应电机）。
  - 同步电机: 转子与定子的旋转磁场同步旋转。定子产生旋转磁场，转子可以是永磁的或带有直流励磁绕组。
  - 异步电机（感应电机）: 转子的转速总是略低于定子旋转磁场的转速，这种速度差称为滑差。异步电机的转子没有外部电源，而是通过电磁感应产生的电流来驱动。
- 构造: 交流电机通常由定子（固定线圈）和转子（可能是笼型或绕线型）组成。
- 特点: 交流电机结构简单，维护方便，成本较低，广泛应用于工业和家用电器中。

二、新能源汽车的驱动电机

新能源汽车在选择驱动电机时，需要考虑的关键因素包括功率密度、效率、抗震性等，这些要求通常比普通工业电机更为严格。

目前市场上主要有三种类型的新能源汽车电机：永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机。每种电机都有其独特的优势和局限性。

交流异步电机，也称为感应电机，以其低成本和简单结构著称，常用于欧美系品牌如特斯拉。然而，这种电机的调速范围有限，转矩特性不够理想，需要高性能的调速器来匹配。交流异步电机通过定子绕组输入三相交流电，产生旋转磁场，进而驱动转子旋转。控制器采用脉宽调制（PWM）技术，通过变频器实现调速，并通过矢量控制或直接转矩控制实现快速响应。尽管交流异步电机结构简单、可靠性强，但其能耗较高，转子容易发热，且需要额外的冷却系统，功率因数低，需要较大的变频器，造价较高，调速性较差。

永磁同步电机以其高效率、大转矩和功率密度、小尺寸和轻重量而受到青睐，常用于日系品牌如丰田和本田，以及特斯拉Model 3。这种电机没有励磁损耗和散热问题，结构简单，体积小。但永磁同步电机的控制较为复杂，且由于需要使用稀土材料，成本较高。

开关磁阻电机以其结构简单、可靠性高、成本低和起动制动性能好而受到关注。它的定子和转子铁芯由硅钢片叠压而成，利用磁阻最小原理驱动转子。尽管开关磁阻电机运行效率高，但其噪声大，转矩脉动严重，非线性问题显著，因此在电动汽车中的应用相对较少。

直流电机通过在定子上绕制励磁线圈产生磁场，转子绕组通直流电产生电磁转矩。直流电机控制器采用晶闸管脉宽调制方式，控制性能好，调速平滑，技术成熟，成本较低。但直流电机需要电刷和换向器，这限制了其速度提升，并导致维护成本较高。直流电机曾广泛应用于早期电动汽车，但新研制的车型已基本不再采用。

三、电机结构及原理

1. 直流电机

其组成部分包括
定子（Stator）：直流电机的定子是固定不动的部分，通常包含励磁线圈。这些线圈在通直流电后会产生磁场。

转子（Rotor）：转子是电机的旋转部分，通常称为电枢（Armature）。电枢绕组是一系列导线，按照一定的方式缠绕在转子上。

励磁线圈（Field Coils）：在定子上绕制的线圈，通以直流电产生磁场。

电枢绕组（Armature Windings）：在转子上绕制的线圈，当通以直流电时，会在磁场中产生电磁转矩，使转子旋转。

换向器（Commutator）：由于直流电的电流方向需要在电枢绕组中不断改变以维持电机的连续旋转，换向器的作用就是自动切换电枢绕组中的电流方向。换向器由许多铜片（换向片）组成，与电枢绕组相连，并通过碳刷与外电路接触。

碳刷（Carbon Brushes）：碳刷固定在电机的外壳上，与换向器保持接触，将电流传输到电枢绕组。

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定子产生一个定磁场，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。

2. 交流异步电机

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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

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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。