江 軍

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰442000）

在新能源汽車中，一般情況下是電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)并在電機(jī)控制器的控制下，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。 其中，在純電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車中，電機(jī)作為純驅(qū)動(dòng)裝置；在串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中，電機(jī)作為主要?jiǎng)恿ρb置；在并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中，電機(jī)作為輔助動(dòng)力裝置。 新能源汽車與普通燃油汽車的最重要區(qū)別就在于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

電動(dòng)機(jī)按照用電性質(zhì)分類，可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類。 交流電動(dòng)機(jī)又分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。 雖然電動(dòng)機(jī)種類繁多，但是所有電動(dòng)機(jī)都是由電路和磁路兩個(gè)基本部分組成。 他們的工作原理都是建立在電與磁的相互轉(zhuǎn)化與相互作用的基礎(chǔ)上，所依據(jù)的電磁定律都是由電磁力定律和電磁感應(yīng)定律。

新能源汽車經(jīng)常采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括直流電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。 最早應(yīng)用于電動(dòng)汽車的是直流電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是控制性能好、成本低。 隨著電子技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，交流異步電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)顯示出比直流電動(dòng)機(jī)更加優(yōu)越的性能，這些電機(jī)正在逐步取代直流電動(dòng)機(jī)。目前日本在乘用車中采用的是PM（內(nèi)置式）電機(jī)；而在美國(guó)，異步電動(dòng)機(jī)是主流的電動(dòng)機(jī)。

異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、效率較高的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。其主要缺點(diǎn)在于功率因數(shù)低，運(yùn)行時(shí)必須從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流來(lái)建立磁場(chǎng)，故其功率因數(shù)小于1.。 在新能源汽車的應(yīng)用中，籠型異步電動(dòng)機(jī)較為廣泛。 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，而且維護(hù)起來(lái)也很容易。

下文簡(jiǎn)要介紹一下交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理：

1）交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙。 此外，還有端蓋、軸承、接線盒、風(fēng)扇等其它附件。 定子是用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的，在工作時(shí)是靜止不動(dòng)的。 三相異步電動(dòng)機(jī)的定子一般由外殼、定子鐵芯、定子繞組等部分組成。 轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組組成。 轉(zhuǎn)子繞組是自成閉路的短路線圈。 轉(zhuǎn)子繞組不需外接電源供電，其電流是由電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的。它有兩種結(jié)構(gòu)形式：籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子。交流異步電動(dòng)機(jī)可分為籠型異步電動(dòng)機(jī)和繞線式異步電動(dòng)機(jī)?；\型異步電動(dòng)機(jī)由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、運(yùn)行安全可靠、使用方便，因而成為使用最廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。

2）交流異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

在三相異步電動(dòng)機(jī)中， 定子三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱電流，交流電流變化一個(gè)周期，合成磁場(chǎng)在空間也旋轉(zhuǎn)了一周。 電流持續(xù)變化，磁場(chǎng)也不斷地旋轉(zhuǎn)，從而在電機(jī)中產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線切割，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，在導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。 根據(jù)電磁力定律，當(dāng)在磁場(chǎng)中與磁力線垂直方向上存在載流導(dǎo)體時(shí)， 將受到電磁力的作用，電磁力將產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，以n 轉(zhuǎn)速克服阻力轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相同。

3）交流異步電動(dòng)機(jī)的特性

交流異步電動(dòng)機(jī)成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，所以不會(huì)出現(xiàn)急剎車的可能性。因此，廣泛應(yīng)用于大型高速的電動(dòng)汽車中。三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的功率容量覆蓋面很廣，從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦。它可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)。與同樣功率的直流電動(dòng)機(jī)相比較，效率較高、重量約要輕一半左右。 一般情況下，作為電動(dòng)汽車專用的電機(jī)，由于安裝條件是受限制的，而且要求小型輕量化，因而電機(jī)在10000r/min 以上的高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，大多采用一級(jí)齒輪減速器實(shí)現(xiàn)減速。此外，由于振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下需要高轉(zhuǎn)矩， 并且要求在較寬的速度范圍內(nèi)具有恒輸出功率特性，所以電動(dòng)汽車用異步電動(dòng)機(jī)與一般工業(yè)用的電動(dòng)機(jī)不同，因此在設(shè)計(jì)上采用了各種新的方法。

出于對(duì)工作環(huán)境的考慮，電動(dòng)機(jī)大多采用全封閉式結(jié)構(gòu)，為了框架、托座等的輕量化，采用壓鑄鋁的方式制造，也有采用將定子鐵芯裸露在外表面的無(wú)框架的結(jié)構(gòu)，由于為了實(shí)現(xiàn)小型輕量化，大多采用了水冷卻定子框架的水冷式電機(jī)。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于頻率升高而引起了鐵損的增大，因此希望減少電機(jī)的極數(shù)，一般采用2 極或4 極的情況較多，但是兩極時(shí)，線圈端部的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，所以采用4 極的場(chǎng)合較多些。此外，為了減少鐵損，普遍采用了有良好磁性的電磁鋼板。

新能源汽車減速或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)處在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，給蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在新能源汽車上，由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的PWM 功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電。 三相異步電動(dòng)機(jī)逆變器的控制方法主要有V/f恒定控制法、轉(zhuǎn)差率控制法、矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制法（DTC）。 其中，后兩種控制方式目前處于主流的地位。

新能源汽車專用的電動(dòng)機(jī)，通過從電池中獲取有限的能量產(chǎn)生動(dòng)作，所以要求其在各種環(huán)境下的效率都要很好。因而，在性能上要求比一般工業(yè)用的電動(dòng)機(jī)更加嚴(yán)格。適合作為電動(dòng)汽車專用的電機(jī)需要滿足幾個(gè)特性：由高速化而生的小型輕量化（堅(jiān)固性）、高效性（一次充電后的續(xù)駛里程長(zhǎng)）、低速大轉(zhuǎn)矩情況下的大范圍內(nèi)的恒定輸出特性、壽命長(zhǎng)以及高可靠性、低噪聲性和成本低廉。 但是現(xiàn)實(shí)中全部滿足以上幾個(gè)特性的電機(jī)還未被開發(fā)出來(lái)。目前更適于新能源汽車的電機(jī)是交流異步電機(jī)和PM 電動(dòng)機(jī)。 在美國(guó)，異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的較多，這也被人為是和路況有關(guān)。在美國(guó)，高速公路已經(jīng)具有一定的規(guī)模，除了大城市外，汽車一般以一定的高速持續(xù)行駛，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)而且在高速時(shí)有較高效率的異步電動(dòng)機(jī)得到廣泛應(yīng)用。 在我國(guó)，隨著高速公路規(guī)模的發(fā)展，交流異步電動(dòng)機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越重要。

［1］胡驊,宋慧.電動(dòng)汽車[M].北京:人民交通出版社,2012.

［2］張舟云,貢俊.新能源汽車電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社,2012.

［3］石川憲二,新能源汽車技術(shù)及其未來(lái)[M].康龍?jiān)?，余開江，譯.科學(xué)出版社,2012.