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

圖1 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換示意圖

      根據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合不同，電機(jī)種類可謂繁多。但用于目前汽車驅(qū)動的主要就是永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))，開關(guān)磁阻電機(jī)，電勵磁電機(jī)，直流電機(jī)。行文到此大家不免要關(guān)注這些電機(jī)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(jī)

      直流電機(jī)是電機(jī)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(jī)主要由轉(zhuǎn)子上的電樞繞組，定子上的勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子鐵心，機(jī)座和電刷-換向器構(gòu)成，勵磁繞組提供勵磁磁場，電樞繞組提供產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流。

圖2 法拉第及其發(fā)明的直流電機(jī)

      前面講過，直流電機(jī)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(zhuǎn)矩大小，所以直流電機(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

      但因電刷的存在，可靠性低，維護(hù)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(jī)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(jī)，一般只用在車窗升降，驅(qū)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(yīng)電機(jī)

      感應(yīng)電機(jī)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(zhuǎn)子由鐵心和短接的籠型繞組組成，當(dāng)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(zhuǎn)磁場，切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)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(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖3 特斯拉及其發(fā)明的感應(yīng)電機(jī)

      因其轉(zhuǎn)子上不需要電刷，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用?，F(xiàn)在有用于一些客車，但因功率密度較小，控制復(fù)雜，在乘用車上用得很少，Tesla Motor為了紀(jì)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(yīng)電機(jī)，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(jī)相提并論，最新款的Model 3上已經(jīng)改用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)了。

傳統(tǒng)同步電機(jī)及永磁同步電機(jī)

      同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)跟前面的感應(yīng)電機(jī)一樣，都是屬于交流電機(jī)，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(zhuǎn)磁動勢。而與異步電機(jī)不同的是其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速一致。

      圖4 為傳統(tǒng)的電勵磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)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(jī)，體積較大，電刷滑環(huán)需要定期維護(hù)，所以這種電機(jī)多用于電廠發(fā)電機(jī)，在汽車上比較少見。

圖4 電勵磁同步電機(jī)

      新能源汽車上使用最多的是永磁同步電機(jī)，與前不同的是其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場作用而發(fā)生機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

圖5 兩種不同轉(zhuǎn)子的永磁電機(jī)

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

開關(guān)磁阻電機(jī)

      磁阻電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)子不斷地移到磁阻最小的位置，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖6 開關(guān)磁阻電機(jī)

      磁阻結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的發(fā)展頗為迅速，但因其固有的轉(zhuǎn)矩波動大，振動噪聲明顯，目前只在一些客車中得到應(yīng)用。

      目前也有一些新型的混合勵磁型磁阻電機(jī)，通常是在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，電機(jī)的性能比磁阻電機(jī)要高一些，而成本又不及稀土永磁電機(jī)那么高。

結(jié)語

      本篇介紹了我們耳熟能詳?shù)膸卓铍姍C(jī)，總而言之，直流電機(jī)因其可靠性差，性能一般，逐步被淘汰;開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)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(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上有二次側(cè)銅耗，發(fā)熱嚴(yán)重，效率偏低，體積大，往往適合在對體積要求不嚴(yán)格的客車上應(yīng)用;電勵磁同步電機(jī)系統(tǒng)體積大，電刷滑環(huán)需要維護(hù)且存在可靠性隱患，除了用作發(fā)電機(jī)外目前還很少見。

圖7不同電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)的研究熱情也在不斷增長。

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