電機，顧名思義，就是電能和機械能轉換的裝置。任何電機既可以做電動機(motoring)運行，也可以做發(fā)電機(generating)運行，其本身不產(chǎn)生能量，只是實現(xiàn)機電能量的轉換場所，但轉換過程中的損耗會轉換成熱量，所以任何電機的設計包括電磁設計，機械設計和熱設計，大家比較關注電功率，機械功率，損耗和效率，溫度等性能參數(shù)。

圖1 機電能量轉換示意圖

      根據(jù)結構和應用場合不同，電機種類可謂繁多。但用于目前汽車驅動的主要就是永磁同步電機，異步電機(感應電機)，開關磁阻電機，電勵磁電機，直流電機。行文到此大家不免要關注這些電機都有啥不同，各有什么優(yōu)缺點?我們不妨在此做個簡單科普吧。

直流電機

      直流電機是電機家族里最古老的發(fā)明，其發(fā)明人就是大家耳熟能詳?shù)姆ɡ?，傳統(tǒng)直流電機主要由轉子上的電樞繞組，定子上的勵磁繞組，定、轉子鐵心，機座和電刷-換向器構成，勵磁繞組提供勵磁磁場，電樞繞組提供產(chǎn)生轉矩的電流。

圖2 法拉第及其發(fā)明的直流電機

      前面講過，直流電機有勵磁繞組和電樞繞組，通過控制勵磁繞組的電流可以控制磁場的大小，通過控制電樞繞組的電流可以調(diào)節(jié)轉矩大小，所以直流電機最大的優(yōu)點是控制性能好，可以僅僅通過外接可變電阻就能近乎線性的調(diào)節(jié)電機的輸出轉速和轉矩。

      但因電刷的存在，可靠性低，維護成本高，且由于電刷接觸電阻和外接電阻引起的額外損耗較大，電機效率比較低。目前新研制的電動汽車基本已不再采用有刷直流電機，一般只用在車窗升降，驅動雨刮等地方，且有用電子換向器取代電刷換向器的趨勢。

感應電機

      感應電機的發(fā)明者是另一位科技大牛特斯拉，一般其定子鐵心上埋有三相交流繞組，轉子由鐵心和短接的籠型繞組組成，當定子繞組中通以三相交流電時，將產(chǎn)生一合成的空間同步旋轉磁場，切割轉子繞組，從而在轉子籠型繞組中生成電流，該電流又會受到磁場的作用而產(chǎn)生電磁力，驅動轉子旋轉。

圖3 特斯拉及其發(fā)明的感應電機

      因其轉子上不需要電刷，結構簡單，可靠性好，生產(chǎn)技術比較成熟，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。現(xiàn)在有用于一些客車，但因功率密度較小，控制復雜，在乘用車上用得很少，Tesla Motor為了紀念這位大神級人物，在其前期的產(chǎn)品中使用了銅條鼠籠的感應電機，但因其總體上效率、功率密度等性能還是無法與稀土永磁電機相提并論，最新款的Model 3上已經(jīng)改用永磁同步電機作為驅動電機了。

傳統(tǒng)同步電機及永磁同步電機

      同步電機的定子結構跟前面的感應電機一樣，都是屬于交流電機，只有定子繞組通過對稱的交流電，就會在氣隙中產(chǎn)生一定的旋轉磁動勢。而與異步電機不同的是其轉子轉速與旋轉磁場的轉速一致。

      圖4 為傳統(tǒng)的電勵磁同步電機，其轉子凸極上纏有繞制好的勵磁繞組并通過軸上的滑環(huán)和電刷引出。即其勵磁磁動勢是通過外接的直流電提供。所以其控制性能比較好，功率因數(shù)和效率都可以做得比較高。但是因為需要外接勵磁機，體積較大，電刷滑環(huán)需要定期維護，所以這種電機多用于電廠發(fā)電機，在汽車上比較少見。

圖4 電勵磁同步電機

      新能源汽車上使用最多的是永磁同步電機，與前不同的是其轉子鐵心沒有繞組，只有表貼的或內(nèi)置的永久磁鋼，其勵磁磁場就是由這些磁鋼產(chǎn)生，通過與定子產(chǎn)生的旋轉磁場作用而發(fā)生機電能量轉換。

圖5 兩種不同轉子的永磁電機

      因為汽車需要經(jīng)常調(diào)速，電機的轉速設計得比較高，所以右邊這種內(nèi)置磁鋼的永磁同步電機因其機械強度好更有優(yōu)勢，而且對于這種內(nèi)置磁鋼的電機具有比較高的磁阻轉矩，更利于節(jié)省磁鋼用量，提升弱磁性能。

開關磁阻電機

      磁阻電機是一種新型結構的電機，其轉子上既沒有繞組，也沒有永磁材料，而是由硅鋼片疊成的凸極實心結構。它是基于磁阻最小原理(磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合)，通過切換定子凸極上的繞組通電次序，使得轉子不斷地移到磁阻最小的位置，從而驅動轉子旋轉。

圖6 開關磁阻電機

      磁阻結構簡單、堅固，工作可靠，成本很低，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，因而近年來在牽引調(diào)速領域的發(fā)展頗為迅速，但因其固有的轉矩波動大，振動噪聲明顯，目前只在一些客車中得到應用。

      目前也有一些新型的混合勵磁型磁阻電機，通常是在轉子磁阻槽內(nèi)插入一定的鐵氧體永磁材料，這樣因為引入了一部分永磁轉矩，電機的性能比磁阻電機要高一些，而成本又不及稀土永磁電機那么高。

結語

      本篇介紹了我們耳熟能詳?shù)膸卓铍姍C，總而言之，直流電機因其可靠性差，性能一般，逐步被淘汰;開關磁阻電機的控制技術還未成熟，低速時噪聲和振動明顯，效率也較低，屬于未來的備選方案;感應電機轉子上有二次側銅耗，發(fā)熱嚴重，效率偏低，體積大，往往適合在對體積要求不嚴格的客車上應用;電勵磁同步電機系統(tǒng)體積大，電刷滑環(huán)需要維護且存在可靠性隱患，除了用作發(fā)電機外目前還很少見。

圖7不同電機及其性能對比

      上圖是美國能源部和橡樹嶺國家實驗室做的幾款電機結構及性能對比，可供參考。對于體積較小的乘用車，目前還是主要以永磁同步電機為主，而且在我國，稀土永磁材料的儲量具有得天獨厚的資源優(yōu)勢。但隨著新能源汽車爆炸式的增長，對新型的高功效，低成本，安全可靠的電機的研究熱情也在不斷增長。

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