換個角度，幫你搞定電動汽車電機原理

對電機不是特別熟悉的小夥伴，接觸電機的第一道關卡，就是被電機繁複又交叉的分類搞暈。本文就針對電動汽車常用電機類型，整理每種電機的基本工作原理。你會發現，分類雖多，但根本結構並不多。最後，用表格的形式，讓電機的關鍵特點一目了然。

力求抹掉表面的複雜特徵，從基本結構開始，理解電動汽車電機的工作原理。

直流電機

電動汽車上選用的一般是直流無刷電機，但原理從有刷直流講起，有刷直流清晰了，無刷就明白了。

有刷直流電機工作原理

有刷直流電機

如圖，有刷直流電機，由主磁極，繞組線圈，換相片和電刷共同組成。

轉子線圈，通直流電，置於固定方向的磁場內。根據左手定則，線圈上沿和下沿所受到的電磁力方向相反，恰好形成一個使線圈轉動的扭矩。

當線圈轉過90度以後，如果電流還維持原來的方向，則線圈會受到與原來運動方向相反的扭矩，運動停止並開始反向運動。線圈就會陷入持續的擺動狀態。

這時候，給線圈和電源之間增加電刷和換向片。當線圈轉過90度，運動方向與磁力線方向平行，達到正反力矩平衡的點附近，電刷脫離原來的換向片，與另外一片換向片接觸，即線圈流過的電流方向發生逆轉。

線圈由於慣性，衝過了力矩平衡位置，恰好此時，線圈內的電流方向也發生了改變，線圈此時受力，恰好與運動方向相同，繼而保持狀態繼續運動。

實際應用中的有刷直流

實際應用中，主磁極，可以是永磁鐵也可以是電磁鐵。一般大型電機，主磁極採用電磁鐵，小型電機，會使用永磁鐵。

無刷直流電機

在有刷直流電機中，電刷和換向片始終處於摩擦狀態，是易損部件。為了避免這樣部件的存在，無刷直流電機就登場了。

無刷直流電機工作原理

定子是繞組，放在外圈；轉子是永磁鐵，放在中心。定子通入受控方波電流，被激發的磁場方向，隨勵磁電流方向發生變化。永磁轉子在變換的磁場中受到力矩的作用，進而發生轉動。

這樣，不用再給轉動部件通電，電刷和換向片自然就可以取消了。

非同步電機

非同步電機，又叫感應電機，由於「鼠籠型」轉子，是其中應用最廣的一種轉子結構，所以非同步電機，又常常被稱為鼠籠電機。

單從電機的結構形式上看，把無刷直流電機的永磁轉子，用鼠籠型繞組轉子替換掉，就出現了非同步電機的基本結構。

非同步電動機

非同步電機，轉子本身只是線圈，沒有電流通入。但繞組線圈，受到空間里旋轉磁場的激勵，內部出現感應電流。電流受到洛倫茲力的作用，發生運動。線圈運動的方向和速度完全取決於旋轉磁場的方向和轉速。

這裡旋轉磁場的轉速叫做電機的同步轉速。而轉子的轉速，由於是感應電流受力產生的運動，一直會落後同步轉速一定的角度差，且隨著負載的增大，此角度差也會增大。

在非同步電動機這裡，需要弄清楚，旋轉磁場是怎樣產生的。

非同步電機旋轉磁場

圖中曲線，是非同步電動機定子繞組勵磁電流波形，一組正弦波。下面的三個圓形是截取間隔ωt =π/2的三個時刻，分別分析這一時刻的定子磁場方向。

勵磁電流，以「x」表示電流向紙面內側流，「?」表示向紙面外側流。從左向右第一個圓，在正弦波圖形上取ωt=2π/3，此時，iu>0，iv<0，iw<0，根據右手定則，可以繪製出磁力線圖，如圖中帶箭頭虛線所示。這組磁力線，相當於上部為S極，下部為N極的一對磁鐵安裝在定子上；

中間第二個圓，對應正弦曲線圖上的第二個取值點ωt =7π/6，與第一個取值點間隔π/2；第三個圓對應正弦曲線上的第三個取值點，與第二個取值點間隔π/2。根據每個時刻的電流方向，可以繪製出這一時刻的磁力線圖。

按連續觀察三個圓形可以發現，隨著輸入電流相位角的變化，定子上的等效磁極S極、N極逆時針旋轉相應角度，也就是所謂形成一個旋轉磁場。

永磁同步電機

永磁同步電動機，與傳統的繞組式同步電機相比，永磁同步電機無勵磁繞組，用永磁體加以代替，而兩者的定子結構基本相同，這樣可以同時省去電刷、勵磁繞組和滑環，大大簡化了電機的結構，使其更加簡單可靠。

工作原理，就從傳統電勵磁同步電機工作原理講起。

同步電機有旋轉磁極式和旋轉電樞式兩種結構形式。由於旋轉磁極式具有轉子重量小、製造工藝較簡單、通過電刷和滑環的電流較小等優點，大中容量的同步電動機多採用旋轉磁極式結構。

根據轉子形狀的不同，旋轉磁極式又可分為凸極式和隱極式兩種，如下圖所示。凸極式多用於要求低轉速的場合。

（a）凸極式 （b）隱極式

同步電動機的結構示意圖

同步電機與其他旋轉電機一樣，由定子和轉子兩大部分組成。同步電機的定子主要由機座、鐵心和定子繞組構成。

為減小磁滯和渦流損耗，定子鐵心採用薄硅鋼片疊裝而成，定子鐵心的內表面嵌有在空間上對稱的三相繞組。

轉子主要由轉軸、滑環、鐵心和轉子繞組構成。為兼顧導磁性能和機械強度的要求，轉子鐵心常採用高強度合金鋼鍛制而成。

同步電動機工作時，定子的三相繞組中通入三相對稱電流，轉子的勵磁繞組通入直流電流。

在定子三相對稱繞組中通入三相交變電流時，將在氣隙中產生旋轉磁場。此旋轉磁場的發生和方式，與前面的非同步電機完全一致。

在轉子勵磁繞組中通入直流電流時，將產生極性恆定的靜止磁場。若轉子磁場的磁極對數與定子磁場的磁極對數相等，轉子磁場因受定子磁場磁拉力作用而隨定子旋轉磁場同步旋轉，即轉子以等同於旋轉磁場的速度、方向旋轉，這就是同步電動機的基本工作原理。

定子旋轉磁場或轉子的旋轉方向決定於通入定子繞組的三相電流相序，改變其相序即可改變同步電動機的旋轉方向。

開關磁阻電機

開關磁阻電機，又稱為反應式同步電動機，這種電機的轉子本身沒有磁性，只是利用磁場中可移動部件企圖使磁路磁阻最小的原理，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場的扭曲產生切向拉力，因此它的結構原則是要求轉子旋轉時磁路的磁阻要有儘可能大的變化。

依靠轉子兩個正交方向磁阻的不同而產生轉矩，這種轉矩稱為磁阻轉矩或反應轉矩。

開關磁阻電機具體工作過程如圖 所示( 僅示意一相) 。

當A 相繞組控制開關S1，S2 閉合時，A 相繞組中流過電流，會產生切向力，吸引轉子向A 相繞組轉子齒軸線和定子極軸線相互重合的方向旋轉，即吸引轉子逆時針方向旋轉。當轉子和B 相定子對齊時，關斷A 相，導通B相，產生的切向力繼續吸引轉子逆時針旋轉，以此類推，繼續導通C、A、B，轉子會持續不斷地按照逆時針方向旋轉，輸出機械能。反之，如果導通相由A 相變為C 相，再由C 相變為B 相，以此相序循環通電就會導致轉子向順時針方向旋轉。可見，轉子轉向與相繞組的電流方向無關，僅取決於相繞組通電的順序。

當主開關器件S1 和S2 同時導通時，A 相繞組從直流電源U 吸收電能; 當S1 和S2 同時關斷時，繞組電流通過兩個續流二極體和繼續流通，並將剩餘的電能回饋給電源U。因此，開關磁阻電機具有電能再生能力，故電能損耗相對較小，系統效率較高。

六種電機對比

在接觸電機的過程中，時不常會出現記憶丟失的感覺，當時明明已經看懂記住了的，想要拿出來講給別人聽，又不知從何說起了。

經過一段時間的摸索，我發現，藉助表格去對比不同種類電機的基本特點，更容易理解和記憶。

註：定子轉子的相對位置，也有外轉子的無刷直流，比如吊扇，電動汽車上不會用到

從匯總表格不難發現，從原理上粗糙的看過去，電機真的不複雜。

電機的基本結構，定子，轉子；

定子的基本形式，線圈繞組，永磁磁鋼；

轉子的基本形式，線圈繞組，永磁磁鋼，以及開關磁阻電機比較特殊的導磁體轉子；

電機轉動原理，通直流電的轉子線圈或者永磁體轉子在變化的磁場中受力，於是發生旋轉。比較特殊的又是開關磁阻電機，以磁阻最小化為動力。

從原理上看，電機的基本結構形式就是這幾種。但在每個不同的應用場景，電機會被細化出適應當時當地的功能細節，以及相應的控制系統。從控制系統的需要出發，又反過來調整電機實體設計。這樣才逐漸衍生出名目繁多的電機品種。

把基本結構和功能當做一個框架，逐漸把適用環境、產品造價、調速方法、控制器特性等等相關的知識添加進來，形成自己的電機知識庫。

參考：

電動汽車用非同步電機無速度感測器矢量控制系統研究

電動汽車開關磁阻電機驅動控制模擬研究

電動汽車永磁同步電機控制器設計

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