引言

基于新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本性能要求，目前常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型主要包括三大類(lèi)，即交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。目前，各車(chē)企配套車(chē)型統(tǒng)計(jì)中，每個(gè)車(chē)型選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型也有所不同。

因此，要進(jìn)行新能源汽車(chē)搭載電機(jī)類(lèi)型選用，了解驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能優(yōu)缺點(diǎn)非常重要。

交流異步電機(jī)

1.1交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)

交流異步電機(jī)，也稱(chēng)感應(yīng)電機(jī)，結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、電機(jī)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(dòng)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(jī)的功率不同會(huì)選擇水冷或者風(fēng)冷方式。（圖1）

1.2交流異步電機(jī)的工作原理

1.2.1交流異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理

1.2.1.1定子提供旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

交流異步電機(jī)要驅(qū)動(dòng)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(chǎng)（磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為ns）。交流異步電機(jī)要求定子三相繞組必須對(duì)稱(chēng)，并且定子鐵心空間上互差120度電角度；通入三相對(duì)稱(chēng)繞組的電流也必須對(duì)稱(chēng)，大小、頻率相同，相位相差120度。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，見(jiàn)式（1）。

ns=60f/p（1）

式中，ns為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（也稱(chēng)同步轉(zhuǎn)速），r/min；f為三相交流電頻率，Hz；p為磁極對(duì)數(shù)。對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)定型生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，磁級(jí)對(duì)數(shù)已經(jīng)確定，因此決定磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度的因素為三相交流電頻率。由于我國(guó)的電網(wǎng)頻率f=50Hz，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁極對(duì)數(shù)有線性關(guān)系。（圖2）

1.2.1.2籠型轉(zhuǎn)子提供感應(yīng)渦流

由于定子提供旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上感應(yīng)出電渦流，如圖3所示。在籠型繞組導(dǎo)體c和b之間的導(dǎo)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(chǎng)的作用下增強(qiáng)，因此，導(dǎo)體c、b上會(huì)感應(yīng)出i1電渦流；同理，導(dǎo)體a和導(dǎo)體b區(qū)域內(nèi)減弱的磁力線會(huì)在導(dǎo)體上感應(yīng)出i2電渦流。導(dǎo)體b上的電流在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，會(huì)使籠型繞組b導(dǎo)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(lái)。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子逐漸追上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以比磁場(chǎng)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(chǎng)的速度ns稍慢的現(xiàn)象稱(chēng)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(dǎo)體持續(xù)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，由此，在轉(zhuǎn)子上，電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，保證持續(xù)對(duì)外輸出。

1.2.2交流異步電機(jī)的發(fā)電工作原理

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。

1.3交流異步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍

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，永磁同步電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)通常通過(guò)增加齒輪箱機(jī)構(gòu)來(lái)增加扭矩以提升速度。但是交流異步電機(jī)的缺點(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)

2.1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、電機(jī)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(dòng)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(jī)常用內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子。（圖4）

2.2永磁同步電機(jī)的工作原理

2.2.1永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理

由定子提供旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式和轉(zhuǎn)速與交流異步電機(jī)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(chǎng)，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(chǎng)的電磁力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，于是永磁轉(zhuǎn)子就會(huì)跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。

2.2.2永磁同步電機(jī)的發(fā)電原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，閉合電路的一部分導(dǎo)體是由三相定子繞組提供，磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子上的永磁體提供，當(dāng)外部力矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割三相定子繞組中的部分導(dǎo)體，產(chǎn)生感應(yīng)三相對(duì)稱(chēng)電流，此時(shí)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作。

2.3永磁同步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍

永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕，功率密度高，相比于異步電機(jī)能耗小，溫升低，效率高?？梢愿鶕?jù)需求，設(shè)計(jì)成高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，高過(guò)載能力的結(jié)構(gòu)電機(jī)。永磁同步電機(jī)嚴(yán)格同步，動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。但是，永磁同步電機(jī)中永磁材料通常采用釹鐵硼強(qiáng)磁材料，這種材料較為脆硬，受到強(qiáng)烈震動(dòng)有可能碎裂；而且轉(zhuǎn)子采用永磁材料，在電機(jī)使用和過(guò)溫情況下會(huì)出現(xiàn)磁衰退，造成動(dòng)力下降。目前，永磁同步電機(jī)在新能源汽車(chē)電機(jī)中應(yīng)用比較廣泛，亞洲和歐洲新能源市場(chǎng)主要采用永磁同步電機(jī)作為新能源電機(jī)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

3.1開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)

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(chēng)“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，如圖5所示。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，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(wú)繞組和永磁體。

三相6/4極結(jié)構(gòu)表明電動(dòng)機(jī)定子有6個(gè)凸極，轉(zhuǎn)子有個(gè)凸極，其中在定子相對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)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(dòng)機(jī)定子有12個(gè)凸極，轉(zhuǎn)子有8個(gè)凸極，其中在定子的4個(gè)兩兩對(duì)稱(chēng)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相數(shù)越多，步進(jìn)角越小，運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)，越有利于減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但控制越復(fù)雜，以致主開(kāi)關(guān)器件增多和成本增加。

步進(jìn)角的計(jì)算，見(jiàn)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(dòng)機(jī)，其步進(jìn)角a=360°×2（/6×4）=30°。

3.2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理

3.2.1開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理

由圖8中的三相12/8極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作原理圖可知，當(dāng)A相繞組電流控制主開(kāi)關(guān)S1、S2閉合時(shí)，A相通電勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力以O(shè)A為軸線的徑向磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)磁力線在通過(guò)定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極的氣隙處是彎曲的，此時(shí)，磁路的磁阻大于定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極重合時(shí)的磁阻，因此，轉(zhuǎn)子凸極受到磁場(chǎng)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。關(guān)斷A相電，建立B相電源，則此時(shí)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)30度，則轉(zhuǎn)子在此時(shí)電磁拉力的作用下，連續(xù)逆時(shí)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(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)；當(dāng)各相中的定子繞組輪流通電一次時(shí)，定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)3×30度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)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(huì)沿著順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與電流的方向無(wú)關(guān)，取決于對(duì)定子相繞組的通電順序。在多相電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，也經(jīng)常出現(xiàn)兩相或兩相以上繞組同時(shí)導(dǎo)通的情況。

3.2.2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電工作原理

開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)相電感存在三種狀態(tài)，勵(lì)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(yīng)的定子齒槽軸線重合時(shí)，該相電感最?。ǘx為θ=0°）；直至轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子凸極的后沿相遇時(shí)（θ=θ1），繞組相電感始終保持Lmin不變；當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子凸極開(kāi)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(shí)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(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至轉(zhuǎn)子凸極的前沿和定子凸極的前沿重合時(shí)，此時(shí)θ=θ4，該相電感持續(xù)Lmax。

根據(jù)電磁場(chǎng)基本理論，伴隨磁場(chǎng)的存在，電機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩同時(shí)存在，可以表示為式（3）。

如果開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的繞組在θ3和θ4之間開(kāi)通和關(guān)斷，則電機(jī)作發(fā)電機(jī)機(jī)運(yùn)行。此時(shí)，在電感下降區(qū)形成電流，則dL/dθ＜0，此時(shí)相繞組有電流通過(guò)，則產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（T（θ，i）＜0），若外界機(jī)械力維持電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，則電機(jī)吸收機(jī)械能，并把它轉(zhuǎn)換成電能輸出，此時(shí)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為發(fā)電機(jī)工作模式。

3.3開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，啟動(dòng)性能好，效率高，成本低，可以通過(guò)改變導(dǎo)通、關(guān)斷角度和電壓來(lái)調(diào)速，擁有較寬的調(diào)速范圍和能力。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，噪音較大。目前在一些小型電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛上使用，比如電驅(qū)動(dòng)四輪代步車(chē)、巡邏車(chē)等。

結(jié)束語(yǔ)

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。文中描述了目前常用的新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，將有助于更好地了解驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

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。