電動汽車電機

電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。由於對環境影響相對傳統汽車較小，其前景被廣泛看好，但當前技術尚不成熟。電源為電動汽車的驅動電動機提供電能，電動汽車電機將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。目前，電動汽車上套用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術的發展，鉛酸蓄電池由於比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，逐漸被其他蓄電池所取代。

基本介紹

• 中文名：電動汽車電機
• SN：印製繞組直流伺服電動機
• SR：開關磁阻電動機
• YX：三相異步電動機

基本介紹

電機

電機：泛指能使機械能轉化為電能、電能轉化為機械能的一切機器。特指發電機、電能機、電動機。

電動機

電動機：俗稱馬達，是一種將電能轉化成機械能，並可再使用機械能產生動能，用來驅動其他裝置的電氣設備。

由於電動汽車採用動力電池作為車載能源，其容量受到限制，為儘可能的延長續駛里程，大多數驅動系統都採用了能量回饋技術，即在汽車制動時，通過控制器將車輪損耗的動能反饋到電池中，並使電機處於發電狀態，將發出的電輸送到電池中。因此，電動汽車的驅動機應該稱為電機，而不是我們習慣稱呼的電動機。例如中大青山採用的雙定子磁懸浮複合轉子電機既能將電能轉化為機械能，又能將機械能轉化為電能。

詳細介紹

電機分類

除了發電功能外，電動汽車的電機主要還是起電動機的，所以我們以電動機來分類：（只作簡單分類）

1.按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。

直流電機：

按結構及工作原理可劃分：無刷直流電機和有刷直流電機。

又可分為永磁直流電機和電磁直流電機。

永磁直流電機按材料又分為稀土、鐵氧體、鋁鎳鈷永磁直流電機。

電磁直流電機按勵磁方式又分為串勵、並勵、他勵和復勵直流電機。

交流電機可分：單相電機和三相電機

2.按結構和工作原理劃分：可分為直流電機、異步電機、同步電機。

異步電動機的轉子轉速總是略低於旋轉磁場的同步轉速。

同步電動機的轉子轉速與負載大小無關而始終保持為同步轉速。

3.按用途分，有驅動電機和控制用電機。

4.按運轉速度分，有高速電機、低速電機、恆速電機和調速電機。

低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。

工作原理

1.交流電機

單相異步電機通過電容移相作用，將單相交流電分離出另一相相位差90度的交流電。將這兩相交流電分別送入兩組或四組電機線圈繞組，就在電機內形成旋轉的磁場，旋轉磁場在電機轉子內產生感應電流，感應電流產生的磁場與旋轉磁場方向相反，被旋轉磁場推拉進入旋轉狀態，由於轉子必須切割磁力線才能產生感應電流，因此轉子轉速必須低於旋轉磁轉速，故稱異步電機。

三相異步電機不必通過電容移相，本身就有相差120度的三相交流電，故產生的旋轉磁場更均勻，效率更高。

永磁同步交流電動機的磁場由永久磁鐵產生，轉子線圈通過電刷供電，轉速與交流電頻率為整倍數（分數）關係（視轉子線圈繞組數而定），故稱同步電機。

轉子線圈通過電刷供電，定子通過線圈繞組產生旋轉磁場的電機，按轉子線圈與定子線圈的串、並聯關係分別稱串勵、並勵電機。

2.直流電機

直流電機有定子和轉子兩大部分組成，定子上有磁極（繞組式或永磁式），轉子有繞組，通電後，轉子上形成磁場（磁極），定子和轉子的磁極之間有一個夾角，在定轉子磁場（N極和S極之間）的相互吸引下，使電機旋轉。改變電刷的位置，就可以改變定轉子磁極夾角（假設以定子的磁極為夾角起始邊，轉子的磁極為另一邊，由轉子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機的旋轉方向）的方向，從而改變電機的旋轉方向。

電機結構

1.永磁式直流電機：

由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成。

定子磁極採用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。

轉子一般採用矽鋼片疊壓而成，漆包線繞在轉子鐵心的兩槽之間（三槽即有三個繞組），其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。

電刷是連線電源與轉子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。

2.無刷直流電機：

由永磁體轉子、多極繞組定子、位置感測器等組成。

無刷直流電機的特點是無刷，採用半導體開關器件（如霍爾元件）來實現電子換向的，即用電子開關器件代替傳統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點。

位置感測器按轉子位置的變化，沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流（即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，並在確定的位置處產生位置感測信號，經信號轉換電路處理後去控制功率開關電路，按一定的邏輯關係進行繞組電流切換）。

電動汽車電機

位置感測器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

採用磁敏式位置感測器的無刷直流電動機，其磁敏感測器件（例如霍爾元件、磁敏二極體、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用積體電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。電動汽車多用的是霍爾元件。

採用光電式位置感測器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電感測器件，轉子上裝有遮光板，光源為發光二極體或小燈泡。轉子旋轉時，由於遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈衝信號。

採用電磁式位置感測器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁感測器部件（例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等），當永磁體轉子位置發生變化時，電磁效應將使電磁感測器產生高頻調製信號（其幅值隨轉子位置而變化）。

定子繞組的工作電壓由位置感測器輸出控制的電子開關電路提供。

電機特性

用於電動汽車的驅動電機與常規的工業電機不同。電動汽車的驅動電機通常要求頻繁的啟動/停車、加速/減速，低速或爬坡時要求高轉矩，高速行駛時要求低轉矩，並要求變速範圍大。而工業電機通常最佳化在額定的工作點。因此，電動汽車驅動電機比較獨特，應單獨歸為一類。

電機要求

他們在負載要求、技術性能和工作環境等方面有著特殊的要求：

1、電動汽車驅動電機需要有4-5倍的過載以滿足短時加速或爬坡的要求；而工業電機只要求有2倍的過載就可以了。

2、電動汽車的最高轉速要求達到在公路上巡航時基本速度的4-5倍，而工業電機只需要達到恆功率是基本速度的2倍即可。

3、電動汽車驅動電機需要根據車型和駕駛員的駕駛習慣設計，而工業電機只需根據典型的工作模式設計。

4、電動汽車驅動電機要求有高度功率密度（一般要求達到1kw/kg以內）和好的效率圖（在較寬的轉速範圍和轉矩範圍內都有較高的效率），從而能夠降低車重，延長續駛里程；而工業電機通常對功率密度、效率和成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行最佳化。

5、電動汽車驅動電機要求工作可控性高、穩態精度高、動態性能好；而工業電機只有某一種特定的性能要求。

6、電動汽車驅動電機被裝在機動車上，空間小，工作在高溫、壞天氣、及頻繁振動等等惡劣環境下。而工業電機通常在某一個固定位置工作。

命名標準

國標關於電動車電機的命名標準如下： 派生代號，用大寫漢語拼音字母表示

性能參數代號，用二位阿拉伯數字表示

產品名稱代號，用大寫漢語拼音字母表示機座號，以機殼外徑（mm）表示

電動汽車電機

產品名稱代號

SYT：鐵氧體永磁式直流伺服電動機

SYX：稀土永磁式直流伺服電動機

SXPT：鐵氧體永磁式線繞盤式直流電動機

SXPX：稀土永磁式線繞盤式直流電

SWT：鐵氧體永磁式無刷直流伺服電動機

SWX：稀土永磁式無刷直流伺服電動機

檢修方法

電機故障的檢修

電機的故障有機械故障與電氣故障兩大類，機械故障比較容易發現，而電氣故障就要通過測量其電壓或電流進行分析判斷了，以下介紹電機常見故障的檢測與排除方法。

1、電機的空載電流大

當電機的空載電流大於極限數據時，表明電機出現了故障。電機空載電流大的原因有，電機內部機械摩擦大，線圈局部短路，磁鋼退磁。我們繼續往下做有關的測試與檢查項目，可以進一步判斷出故障原因或故障部位。

電機的空載/負載轉速比大於1.5，打開電源，轉動轉把，使電機高速空載轉動10s以上。等電機轉速穩定以後，測量此時電機的空載最高轉速N1。在標準測試條件下，行駛200m距離以上，開始測量電機的負載最高轉速N2。空載/負載轉比=N2÷N1。

當電機的空載/負載轉速比大於1.5時，說明電機的磁鋼退磁已經相當厲害了，應該更換電機裡面整套的磁鋼，在電動車的實際維修過程中一般是更換整個電機。

2、電機發熱

電機發熱的直接原因是由於電流大引起的，電機電流I，電機的輸入電動勢E1，電機旋轉的感生電動勢（又叫反電動勢）E2，與電機線圈電阻R之間的關係是：I=（E1-E2）÷R，I增大，說明R變小或E2減少了。R變小一般是線圈短路或開路引起的，E2減少一般是磁鋼退磁引起的或者是線圈短路，開路引起的。在電動車

的整車的維修實踐中，處理電機發熱放障的方法，一般是更換電機。

3、電機在運行時內部有機械碰撞或機械噪音

無論高速電機還是低速電機，在負載運行時都不應該出現機械碰撞或不連續不規則的機械噪音。不同形式的電機可運用不同的方法進行維修。

4、整車行駛里程縮短、電機乏力

車續行里程短與電機乏力（俗稱電機沒勁）的原因比較複雜。但是當我們排除了以上4種電機故障之後，一般說來，整車續行里程短的故障就不是電機引起的了，這和電池容量的衰減，充電器充不滿電，控制器參數漂移（PWM信號沒有達到100%）等有關。

5、無刷電機缺相

無刷電機缺相一般是由於無刷電機的霍耳元件損壞引起的。我們可以通過測量霍耳元件輸出引線相對霍耳地線和相對霍耳電源的引線的電阻，用比較法判斷是哪只霍耳元件出現故障。

為保證電機換相位置的精確，一般建議同時更換所有的三個霍耳元件。更換霍耳元件之前，必須弄清楚電機的相位代數角是120°還是60°，一般60°相角電機的三個霍耳元件的擺放位置是平行的。而120°相角電機，三個霍耳元件中間的一個霍耳元件是呈翻轉180°位置擺放的。

電機拆裝與保養

一、電機的拆卸

電機轉子與定子的徑向間隙叫做氣隙（空氣間隙），一般電機的氣隙在0.25-0.8mm之間，當拆卸完電機排除了電機故障之後，一定要對原來的端蓋記號進行裝配，這樣可以防止二次裝配後的掃膛現象。

二、電機內齒輪的潤滑

如果有刷有齒輪轂電機與無刷有齒輪轂電機運行的噪音開始變大，或者更換了電機內的齒輪，應將齒輪所有齒面塗滿潤滑脂，一般使用3號潤滑脂或廠家指定的潤滑油。

三、電機的組裝

在組裝有刷電機之前，請檢查刷握裡面彈簧的彈性，檢查炭刷與刷握是否有碰擦，檢查炭刷在刷握里是否能達到最大行程，注意炭刷與換相器的正確定位，以免卡壞炭刷或刷握。

套用特點

無刷直流電動機之所以被廣泛套用於電動車，是因為它與傳統的有刷直流電動機相比具有以下二方面的優勢。（1）壽命長、免維護、可靠性高。在有刷直流電動機中，由於電機轉速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術難度較大，特別是傳動齒輪的潤滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機就存在噪聲大、效率低、易產生故障等問題。因此無刷直流電動機的優勢很明顯。（2）效率高、節能。一般而言，因無刷直流電動機沒有機械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調速電路損耗，效率通常可高於85%，但考慮到實際設計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設計為76%。而有刷直流電動機的效率由於齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。

電動汽車電機

電機組成

在電動腳踏車行業，電機一般指電機總成，包括電機心、減速機構等。下面我們講的電動腳踏車均指電機總成。

一、電機的拆卸

拆卸電機之前應首先拔開電機與控制器的引線，此時一定要記錄下電機引線顏色與控制器引線顏色的一一對應關係。打開電機端蓋之前應清潔作場地，以防止雜物被吸在電機內的磁鋼上。做好端蓋與輪轂相對位置的標記。注意：一定要對角鬆動螺釘，以免電機外殼變形。電機轉子與定子的徑向間隙叫氣隙（空氣間隙），一般電機的氣隙在0.25-0.8mm之間，當拆卸完電機排除了電機故障之後，一定要對原來的端蓋記號進行裝配，這樣可以防止二次裝配後的掃膛現象。

二、電機內齒輪的潤滑

如果有刷有齒輪轂電機與無刷有齒輪轂電機運行的噪音開始變大，或者更換了電機內的齒輪，應將齒輪所有齒面塗滿潤滑脂，一般使用3號潤滑脂或廠家指定的潤滑油。

三、電機的組裝

在組裝有刷電機之前，請檢查刷握裡面彈簧的彈性，檢查炭刷與刷握是否有碰擦，檢查炭刷在刷握里是否能達到最大行程，注意炭刷與換相器的正確定位，以免卡壞炭刷或刷握。

安裝電機的時候，首先應清理電機部件表面的雜質，以免影響電機的正常運轉，並且一定要將輪轂體固定結實，以免安裝時由於受磁鋼的強力吸引，造成部件相互撞擊、損壞。檢測36V正常，控制器輸出5V、12V正常，電動機電阻正常。把電動機直接連線到36V電池上，電動機運轉正常。

發展經歷

永磁無刷直流電機

通過改變永磁直流電機的定子和轉子的位置，就可以得到永磁無刷直流電機。需注意到是“直流”這個術語會引起誤解，因為它並不是指直流電機，實際上它採用交流方波供電，所以也稱為永磁無刷方波電機。它最大的優點是無刷，消除了電刷帶來的許多問題。而且方波電流方波磁場相互作用可以產生更大的轉矩。佛山照明沈大衛教授給的全稱就是“永磁無刷方波力矩電機”。

永磁無刷同步電機

用永磁材料代替傳統同步電機的勵磁繞組，就能去掉傳統的電刷、滑環和勵磁繞組的銅損，由於採用正弦交流電及無刷結構，又叫永磁無刷交流電機。其優點是高能量密度和高效率，其恆功率區域有更寬的轉速範圍，並可以以矢量控制方法來滿足電動汽車的高性能要求。如南車時代的電機。

異步電機驅動系統

異步電機其特點是結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠、低轉矩脈動、低噪聲、不需要位置感測器、轉速極限高。

異步電機矢量控制調速技術比較成熟，使得異步電機驅動系統具有明顯的優勢，因此被較早套用於電動汽車的驅動系統，仍然是電動汽車驅動系統的主流產品（尤其在美國），但已被其它新型無刷永磁牽引電機驅動系統逐步取代。最大缺點是驅動電路複雜，成本高；相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低。

電動汽車電機

發展趨勢

電機驅動系統

從20世紀80年代開關磁阻電機驅動系統問世後，打破了傳統的電機設計理論和正弦波電壓源供電方式；並隨著磁阻電機，永磁電機、電力電子技術和計算機技術的發展，交流電機驅動系統設計進入一個新的黃金時代；新的電機拓樸結構與控制方式層出不究，推出了新一代機電一體化電機驅動系統迅猛發展。高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調速牽引電機驅動系統已成為各國研究和開發的主要熱點之一。

SRD開關磁阻電機驅動系統的主要特點是電機結構緊湊牢固，適合於高速運行，並且驅動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉速範圍內效率都比較高，而且可以方便地實現四象限控制。這些特點使SRD開關磁阻電機驅動系統很適合電動車輛的各種工況下運行，是電動車輛中極具有潛力的機種。SRD的最大特點是轉矩脈動大、噪聲大；此外，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點是要使用位置感測器增加了結構複雜性、降低了可靠性。因此無感測器的SRD也是未來的發展趨勢之一。

永磁式開關磁阻電機也稱為雙凸極永磁電機，永磁式開關磁阻電機可採用圓柱形徑向磁場結構、盤式軸向磁場結構和環形橫向磁場結構。該電機在磁阻轉矩的基礎上迭加了永磁轉矩，永磁轉矩的存在有助於提高電機的功率密度和減小轉矩脈動，以利於它在電動車輛驅動系統中套用。

轉子磁極分割型混合勵磁結構同步電機這一概念一提出就引起國際電工界和各大汽車公司研發中心的極大關注。轉子磁極分割型混合勵磁結構同步電機具有磁場控制能力，類似直流電機的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合電動車輛牽引電機低速大力矩和恆功率寬調速的需求。該電機的研究處於探索階段，電機的機理和設計理論有待於進一步深入研究與完善，作為電動車輛牽引電機具有較強的潛在的競爭優勢。

此外，正在研發的熱點課題還有：

具有磁場控制能力的永磁同步電機驅動系統；

車輪電機驅動系統；

動力傳動一體化部件（電機、減速齒輪、傳動軸）；

雙饋電異步電機驅動系統和雙饋電永磁同步電機驅動系統。

電動汽車電機

電子伺服系統

1993年美國能源部、商務部、貿易部、國防部、環保局、宇航局、國家科學基金會七個政府部門下美國三個最大的汽車製造公司，克萊斯勒、福特和通用，建立了新一代車輛夥伴關係（PNGV，Partnership for a New Generation of Vehicles），目標是開發新一代機動車技術，以增強美國汽車工業的實力。1998年至2002年期間，美國國家自然科學基金（NSF）資助美國國家電力電子中心（由美國Virginia和美國Wisconsin等四所大學組建）研發車輛電子動力驅動系統、電子伺服控制系統和各種車輛專用IC模組，提高汽車電子電氣部件的可靠性，降低其成本和搶占車輛電氣自動化技術的制高點，增強在國際市場的競爭力。線控的汽車電子伺服系統（X－by－wire）在未來將是十分重要的技術，該技術可將各種獨立的系統（如轉向、制動、懸掛等）集成到一起由計算機調控，使汽車的操縱性、安全性以及汽車的總體結構大大改善，設計的靈活度也大大增加。電子動力方向盤和線控剎車已經在一些歐洲車型上被採用，在這個系統中已經削減了相當多的機械部件，如液壓泵等。汽車電子伺服技術是具有革命性的技術，隨著這個技術的使用，許多傳統的機械部件將會在未來的汽車上消失，而越來越多的車用伺服電機將出現在未來的汽車上。