新能源汽車驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

驅(qū) 動 電 機(jī)

驅(qū)動電機(jī)是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，是車輛行駛的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特性決定了車輛的主要性能指標(biāo)，直接影響車輛動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。它是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種設(shè)備，它利用勵磁線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場形成磁電動力旋轉(zhuǎn)力矩。導(dǎo)線在磁場中受力的作用，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

一、驅(qū)動電機(jī)的作用

驅(qū)動電機(jī)、電控系統(tǒng)、動力電池是電動汽車的核心部分，稱為“三電”。在電動汽車上，驅(qū)動電機(jī)替代了傳統(tǒng)汽車上的發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)，傳統(tǒng)汽車通常是把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動車輛行駛，而驅(qū)動電機(jī)既可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動汽車行駛，也可以作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并存儲在動力電池內(nèi)。

電機(jī)控制器將動力電池的高壓直流電變換為驅(qū)動電機(jī)的高壓三相交流電，使驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生力矩，并通過傳動裝置將驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給車輪，驅(qū)動汽車行駛。圖1所示為驅(qū)動電機(jī)動力傳輸圖。

圖1  驅(qū)動電機(jī)動力傳輸圖

驅(qū)動電機(jī)不僅可以驅(qū)動車輛行駛，而且可以進(jìn)行制動能量回收。圖2所示為驅(qū)動電機(jī)制動能量回收示意圖。驅(qū)動電機(jī)在制動、緩慢減速時，整車控制器發(fā)出相應(yīng)指令，使驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)發(fā)電工況，此時驅(qū)動電機(jī)會將車輛動能轉(zhuǎn)換為電能，通過電機(jī)控制器以電能的形式向動力電池充電。

圖2  驅(qū)動電機(jī)能量回收圖

二、驅(qū)動電機(jī)的特點

1、體積小、功率密度大

由于新能源汽車的整車空間有限，因此要求驅(qū)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，這就意味著驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器的尺寸將受到很大的限制，必須縮小驅(qū)動電機(jī)的體積，提高電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。因此一般選用高功率密度的永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

2、效率高、高效區(qū)廣、重量輕

新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的第二個特點就是效率要高、高效區(qū)要廣、重量要輕。由于當(dāng)前充電樁尚未廣泛普及，續(xù)駛里程短一直是新能源汽車的短板，提升續(xù)駛里程的方法有：

① 提升驅(qū)動電機(jī)的效率。

② 驅(qū)動電機(jī)的高效工況區(qū)要足夠廣，保證汽車在大部分工況下都處于高效狀態(tài)。

③ 減輕驅(qū)動電機(jī)重量，間接降低整車功耗，提升續(xù)駛里程。

3、安全性與舒適性

新能源汽車驅(qū)動電機(jī)還需關(guān)注電機(jī)自身的安全性和舒適性。

安全性：即電機(jī)的可靠性，電機(jī)在惡劣環(huán)境下可以正常工作。

舒適性：即電機(jī)在運(yùn)行時不會使駕駛?cè)水a(chǎn)生體驗上的不適感，應(yīng)關(guān)注電機(jī)運(yùn)行時的振動和噪聲情況。

三、驅(qū)動電機(jī)的組成

驅(qū)動電機(jī)組件主要由永磁同步電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、溫度傳感器、冷卻循環(huán)水道和殼體等組成。驅(qū)動電機(jī)是以磁場為媒介進(jìn)行機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，是驅(qū)動電動汽車行駛的動力裝置，是動力總成的核心部件，承擔(dān)著電能轉(zhuǎn)化和充電的雙重功能。

1、永磁同步電機(jī)

北汽 EV160 驅(qū)動電機(jī)如圖3所示。EV160 選用的是永磁同步電機(jī)。該電機(jī)具有效率高、體積小、重量輕及可靠性高等優(yōu)點。永磁同步電機(jī)是電驅(qū)系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化的部件，依靠內(nèi)置傳感器來提供電機(jī)的工作信息，并將這些信息發(fā)送給電機(jī)控制器。

圖3  北汽 EV160 驅(qū)動電機(jī)

北汽 EV160 永磁同步電機(jī)具有電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的雙重功能。電動機(jī)工作原理是電機(jī)控制器分別控制 U 相、V 相和 W 相繞組，或者相鄰繞組的通電、斷電，在相應(yīng)的繞組或相鄰的繞組中產(chǎn)生磁場，永磁轉(zhuǎn)子在磁場的作用下同步旋轉(zhuǎn)，如圖4所示。車輛減速時，永磁同步電機(jī)起到發(fā)電機(jī)的作用。交流發(fā)電機(jī)的工作原理是車輛減速時，驅(qū)動輪通過傳動裝置反拖永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的永久轉(zhuǎn)子磁場，分別切割 U、V、W 三相定子繞組，產(chǎn)生三相交流電，如圖5所示。

圖4  永磁同步電機(jī)電動機(jī)工作原理

圖5  永磁同步電機(jī)發(fā)電機(jī)工作原理

2、旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器如圖6所示，它是一種能轉(zhuǎn)動的變壓器，主要由旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子與定子組成。這種變壓器的一次、二次繞組分別放置在定、轉(zhuǎn)子上。一次、二次繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)，因此轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。

圖6  旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器可分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線型旋轉(zhuǎn)變壓器和比例式旋轉(zhuǎn)變壓器。北汽EV160 采用的是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，主要用以檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并把其檢測結(jié)果傳輸給電機(jī)控制器，經(jīng)解碼可獲知電機(jī)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁繞組以一定的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系。

3、溫度傳感器

溫度傳感器用以檢測驅(qū)動電機(jī)的溫度，電機(jī)控制器用它的信號保護(hù)驅(qū)動電機(jī)，避免過熱。北汽 EV160 采用的是 PT1000 溫度傳感器——鉑電阻溫度傳感器。金屬鉑（Pt）的電阻會隨著溫度變化而變化，并且具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的這種物理特性制成的溫度傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器。PT1000 表示在 0℃時，其電阻為 1000Ω。

四、驅(qū)動電機(jī)的工作原理

動力電池的直流電經(jīng)過高壓配電箱，通過電機(jī)控制器中的 DC/AC 變換器將直流電逆變成交流電，提供給永磁同步電機(jī)，進(jìn)而永磁同步電機(jī)驅(qū)動汽車行駛。

當(dāng)車輛滑行或制動時，電機(jī)控制器控制驅(qū)動電機(jī)使其處于發(fā)電狀態(tài)，驅(qū)動電機(jī)利用車輛動能發(fā)電，通過電機(jī)控制器中的 AC/DC 變換器將三相交流電整流成直流電，回收能量存入動力電池。

為避免驅(qū)動電機(jī)在工作過程中溫度過高，電機(jī)冷卻循環(huán)水管中的冷卻液可將多余的熱量帶走，使其保持在正常的工作溫度范圍內(nèi)。

（來源：電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用）

  軸研所公眾號              軸承雜志社公眾號