新能源汽车驱动电机结构与工作原理

驱动电机是电动汽车驱动系统的核心部件，是车辆行驶的主要执行机构，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和舒适性。它是把电能转换为机械能的一种设备，它利用励磁线圈，产生旋转磁场形成磁电动力旋转力矩。导线在磁场中受力的作用，使电机输出转矩。

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驱动电机的作用

驱动电机、电控系统、动力电池是电动汽车的核心部分，称为“三电”。在电动汽车上，驱动电机替代了传统汽车上的发动机和发电机，传统汽车通常是把化学能转换为机械能驱动车辆行驶，而驱动电机既可以将电能转换为机械能驱动汽车行驶，也可以作为发电机将机械能转换为电能，并存储在动力电池内。

电机控制器将动力电池的高压直流电变换为驱动电机的高压三相交流电，使驱动电机产生力矩，并通过传动装置将驱动电机的旋转运动传递给车轮，驱动汽车行驶。图1所示为驱动电机动力传输图。

图1  驱动电机动力传输图

驱动电机不仅可以驱动车辆行驶，而且可以进行制动能量回收。图2所示为驱动电机制动能量回收示意图。驱动电机在制动、缓慢减速时，整车控制器发出相应指令，使驱动电机转换为发电机发电工况，此时驱动电机会将车辆动能转换为电能，通过电机控制器以电能的形式向动力电池充电。

图2  驱动电机能量回收图

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驱动电机的特点

1、体积小、功率密度大

由于新能源汽车的整车空间有限，因此要求驱动电机的结构紧凑、尺寸小，这就意味着驱动电机和电机控制器的尺寸将受到很大的限制，必须缩小驱动电机的体积，提高电机的功率密度和转矩密度。因此一般选用高功率密度的永磁同步电机作为驱动电机。

2、效率高、高效区广、重量轻

新能源汽车驱动电机的第二个特点就是效率要高、高效区要广、重量要轻。由于当前充电桩尚未广泛普及，续驶里程短一直是新能源汽车的短板，提升续驶里程的方法有：

① 提升驱动电机的效率。

② 驱动电机的高效工况区要足够广，保证汽车在大部分工况下都处于高效状态。

③ 减轻驱动电机重量，间接降低整车功耗，提升续驶里程。

3、安全性与舒适性

新能源汽车驱动电机还需关注电机自身的安全性和舒适性。

安全性：即电机的可靠性，电机在恶劣环境下可以正常工作。

舒适性：即电机在运行时不会使驾驶人产生体验上的不适感，应关注电机运行时的振动和噪声情况。

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驱动电机的组成

驱动电机组件主要由永磁同步电机、旋转变压器、温度传感器、冷却循环水道和壳体等组成。驱动电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置，是驱动电动汽车行驶的动力装置，是动力总成的核心部件，承担着电能转化和充电的双重功能。

1、永磁同步电机

北汽 EV160 驱动电机如图3所示。EV160 选用的是永磁同步电机。该电机具有效率高、体积小、重量轻及可靠性高等优点。永磁同步电机是电驱系统的重要执行机构，是电能与机械能转化的部件，依靠内置传感器来提供电机的工作信息，并将这些信息发送给电机控制器。

图3  北汽 EV160 驱动电机

北汽 EV160 永磁同步电机具有电动机和发电机的双重功能。电动机工作原理是电机控制器分别控制 U 相、V 相和 W 相绕组，或者相邻绕组的通电、断电，在相应的绕组或相邻的绕组中产生磁场，永磁转子在磁场的作用下同步旋转，如图4所示。车辆减速时，永磁同步电机起到发电机的作用。交流发电机的工作原理是车辆减速时，驱动轮通过传动装置反拖永磁同步电机转子运转，旋转的永久转子磁场，分别切割 U、V、W 三相定子绕组，产生三相交流电，如图5所示。

图4  永磁同步电机电动机工作原理

图5  永磁同步电机发电机工作原理

2、旋转变压器

旋转变压器如图6所示，它是一种能转动的变压器，主要由旋转变压器转子与定子组成。这种变压器的一次、二次绕组分别放置在定、转子上。一次、二次绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关，因此转子绕组的输出电压与转子的转角有关。

图6  旋转变压器

旋转变压器可分为正余弦旋转变压器、线型旋转变压器和比例式旋转变压器。北汽EV160 采用的是正余弦旋转变压器，主要用以检测电机转子位置，并把其检测结果传输给电机控制器，经解码可获知电机转速。

当旋转变压器励磁绕组以一定的交流电压励磁时，输出绕组的电压值与转子转角成正弦、余弦函数关系。

3、温度传感器

温度传感器用以检测驱动电机的温度，电机控制器用它的信号保护驱动电机，避免过热。北汽 EV160 采用的是 PT1000 温度传感器——铂电阻温度传感器。金属铂（Pt）的电阻会随着温度变化而变化，并且具有良好的重现性和稳定性，利用铂的这种物理特性制成的温度传感器称为铂电阻温度传感器。PT1000 表示在 0℃时，其电阻为 1000Ω。

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驱动电机的工作原理

动力电池的直流电经过高压配电箱，通过电机控制器中的 DC/AC 变换器将直流电逆变成交流电，提供给永磁同步电机，进而永磁同步电机驱动汽车行驶。

当车辆滑行或制动时，电机控制器控制驱动电机使其处于发电状态，驱动电机利用车辆动能发电，通过电机控制器中的 AC/DC 变换器将三相交流电整流成直流电，回收能量存入动力电池。

为避免驱动电机在工作过程中温度过高，电机冷却循环水管中的冷却液可将多余的热量带走，使其保持在正常的工作温度范围内。