想要從事新能源汽車相關的工作，深入了解新能源汽車（電動汽車），勢必繞不開新能源三大件——驅(qū)動電機，電驅(qū)控制器和電池。

從整車成本占比來看，三電系統(tǒng)幾乎可以占到整車50%的材料成本；

從技術角度來說，這三個零件是區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車的核心技術，也是影響車輛產(chǎn)品性能表現(xiàn)的直接因素。

在本次系列推文中，我們將對三大件之一的驅(qū)動電機做一個系統(tǒng)梳理，覆蓋電機的定義、工作原理，到電機基礎結構、組成散件、保護原理、基本性能等范疇。

希望通過我們的系統(tǒng)梳理，能幫助從事新能源汽車行業(yè)的讀者了解這一最能代表新能源汽車和燃油車差異的零件。

01

驅(qū)動電機的定義

電機，英文：Electric machinery，俗稱“馬達”，是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。

電機在電路中是用字母M（舊標準用D）表示，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源，發(fā)電機在電路中用字母G表示，它的主要作用是利用機械能轉(zhuǎn)化為電能。

02

電機的旋轉(zhuǎn)原理

電機的原理很簡單，簡單的說就是利用電能在線圈上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的裝置。學過電磁感應定律的都知道，通電的線圈在磁場中會受力轉(zhuǎn)動，電機的基本原理就是如此，這是初中物理的知識。

為了便于后續(xù)電機原理的說明，我們來回顧下有關電流，磁場和力的基本定律/法則。

如之前所說，電機的發(fā)電本質(zhì)上依賴于電磁感應。

左圖顯示電流按照弗萊明右手定則流動，又稱發(fā)電機定則或右手定則。

可以求出導體在磁場下移動時所產(chǎn)生的電流方向。

右手三根手指互相垂直，拇指的方向是導線移動方向，食指指的是磁場方向，中指的則為電流方向。

通過導線在磁通中的運動，在導線中產(chǎn)生電動勢并且有電流流動。

中間的圖是法拉第定律。

法拉第定律是描述電極上通過的電量與電極反應物重量之間的關系的，又稱為電解定律。

它又分為兩個子定律，即法拉第第一定律和法拉第第二定律。

第一定律即為在電極界面上發(fā)生化學變化物質(zhì)的質(zhì)量與通入的電量成正比。

第二定律即為通電于若干個電解池串聯(lián)的線路中，當所取的基本粒子的荷電數(shù)相同時，在各個電極上發(fā)生反應的物質(zhì)，其物質(zhì)的量相同，析出物質(zhì)的質(zhì)量與其摩爾質(zhì)量成正比。

右圖表示的是楞次定律。

楞次定律表示的是，感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。還可表述為：感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因。

當磁鐵（磁通）靠近或遠離線圈時，電流沿不同的方向流動。

我們將在此基礎上來解釋發(fā)電原理。

03

電機發(fā)電原理

假設面積為S（＝l×h）的線圈在均勻磁場中以ω的角速度旋轉(zhuǎn)。

此時，假設線圈表面的平行方向（中間圖中的黃線）和相對于磁通密度方向的垂直線（黑色虛線）形成角度為θ（=ωt），則穿透線圈的磁通量Φ由下式表示：

另外，通過電磁感應在線圈中產(chǎn)生的感應電動勢E如下：

當線圈表面的平行方向垂直于磁通方向時，電動勢變?yōu)榱悖綍r電動勢的絕對值最大。

這樣，電機就具備了發(fā)電作用。我在這里說明的是電機具有旋轉(zhuǎn)動作和發(fā)電作用，并不意味著要將電機用于發(fā)電。如果要發(fā)電，通常使用專為發(fā)電進行了優(yōu)化的發(fā)電機。

04

電機的結構

電機主要是兩部分組成，固定不動的定子部分以及轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子部分，和其他散件。

1. 定子(靜止部分)

定子鐵心是電機磁路重要部分，并在其上放置定子繞組；

構造：定子鐵心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。

定子鐵心槽型有以下幾種：

半閉口型槽：電動機的效率和功率因數(shù)較高，但繞組嵌線和絕緣都較困難。一般用于小型低壓電機中。半開口型槽：可嵌放成型繞組，一般用于大型、中型低壓電機。所謂成型繞組即繞組可事先經(jīng)過絕緣處理后再放入槽內(nèi)。

開口型槽：用以嵌放成型繞組，絕緣方法方便，主要用在高壓電機中。

定子繞組的本質(zhì)是線圈，電動機的電路部分，接電源，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；

定子繞組的構造：由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結構完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。

定子繞組的主要絕緣項目有以下三種：（保證繞組的各導電部分與鐵心間的可靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣）。

1）對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。

2）相間絕緣：各相定子繞組間的絕緣。

3）匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。

2. 轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子繞組(運動部分)

【轉(zhuǎn)子】

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子的作用是作為電機磁路的一部分以及在鐵心槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。

構造：所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來沖制轉(zhuǎn)子鐵心。一般小型異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電動機（轉(zhuǎn)子直徑在300~400毫米以上）的轉(zhuǎn)子鐵心則借助與轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。

【轉(zhuǎn)子繞組】

作用：切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應電動勢及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動機旋轉(zhuǎn)。

構造：分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。

1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個繞組的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對于100KW以上的電動機采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。

2）繞線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。

特點：結構較復雜，故繞線式電動機的應用不如鼠籠式電動機廣泛。但通過集流環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子繞組回路中串入附加電阻等元件，用以改善異步電動機的起、制動性能及調(diào)速性能，故在要求一定范圍內(nèi)進行平滑調(diào)速的設備，如吊車、電梯、空氣壓縮機等上面采用。

05

電機的其他部件

除了定子和轉(zhuǎn)子繞組兩個最為關鍵的核心部件外，電機還由其他若干重要的零件組成，包括風扇、接線盒、基座、軸承和端蓋等散件。

風扇：一般安裝在電機尾部，用于給電機散熱；

接線盒：用于接入電源，如交流三相異步電機，還可以根據(jù)需要接星形或者三角形；

機座：機座是用來固定定子鐵心及電機端蓋，并起防護、散熱等作用。機座通常為鑄鐵件，大型異步電動機機座一般用鋼板焊成，微型電動機的機座采用鑄鋁件。封閉式電機的機座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護式電機的機座兩端端蓋開有通風孔，使電動機內(nèi)外的空氣可直接對流，以利于散熱。

軸承：指的是連接電機旋轉(zhuǎn)和不動部分；

端蓋：電機外面的前后蓋子，起到支撐作用。

06

電機保護原理

電機保護原理包括多個維度，一般來說，覆蓋過載保護、欠載保護、堵轉(zhuǎn)/阻塞保護、短相保護、接地/漏電保護、外部故障保護、啟動超時保護、相序保護、欠壓/過壓保護、欠功率保護和過熱保護等。

1.過載保護

當電動機在過負載故障下，長時間超過其額定電流運行時，會導致電動機過熱，絕緣降低而燒毀，保護器根據(jù)電動機的發(fā)熱特性，計算電動機的熱容量，模擬電動機發(fā)熱特性對電動機進行保護，過載保護不同脫扣級別對應的特征。

2. 欠載保護

當電動機所帶負載為泵式負載時，電動機空載或欠載運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生危害，保護器提供欠載保護，當三相的平均電流與額定電流的百分比低于設定值時，保護器應在動作（延時）設定時間內(nèi)動作或在報警時間內(nèi)報警。

3.堵轉(zhuǎn)/阻塞保護

電動機在起動時或運行過程中，如果由于負荷過大或自身機械原因，造成電時機軸被卡住，而未及時解除故障，將造成電機過熱，絕緣降低而燒毀電機，堵轉(zhuǎn)保護適用于電動機起動發(fā)生此類故障進行保護，阻塞保護適用于電動機運行過程中發(fā)生此類故障時進行保護，當電流達到動作設定電流時，保護器應在動作（延時）設定時間內(nèi)動作或在報警時間內(nèi)報警。

4.斷相（不平衡）保護

斷相（不平衡）故障運行時電動機的危害很大，當電動機發(fā)生斷相或三相電流嚴重不平衡時，如不平衡率達到保護設定值時，保護器按照設定的要求保護，發(fā)出停車或報警指令，使電動機的運行更加安全。

5.接地/漏電保護

保護器同時具備接地保護和漏電保護功能。接地保護電流信號取于內(nèi)部電流互感器的矢量和，用于保護相線對電動機金屬外殼的短路保護，保護器可通過增加漏電互感器，檢測出30mA~50mA的故障電流，主要用于非直接接地的 保護，以保證人身安全。

6. 外部故障保護

當保護器檢測到有外部故障出現(xiàn)，外部故障開關量輸入與保護器定義的開關量輸入狀態(tài)不一致時，保護器按照設定的要求保護，確保電動機設備安全。

7. 起動超時保護

在電動機起動過程中，保護器只具有斷相（不平衡），接地/漏電等保護功能，其余保護功能不起作用，在起動結束后，所有保護功能（按用戶設定）均自動投入，當電動機起動時間超過用戶設定的起動時間，電流還大于額定電流1.1倍時，保護器按照設定的要求保護，在動作（延時）設定時間內(nèi)發(fā)出停車命令，停止電機運行。

8.相序保護

具有相序保護功能的保護器，當其電源側(cè)的電壓相位順序與設定的順序一致時，保護器應不動作。當保護器檢測到電動d的相序接錯時，電動機應不能起動。

9.欠壓保護

電壓過低會引起電動機轉(zhuǎn)速降低，甚至停止運行，當電動機運行電壓下降至設定的欠電壓保護范圍時，保護器按設定的要求進行保護，在動作（延時）設定時間內(nèi)動作或在報警時間內(nèi)報警，以避免重要的生產(chǎn)工藝造成混亂，嚴重影響生產(chǎn)。

10. 過壓保護

電壓過高會引起電動機絕緣程度損傷，當電動機運行電壓超過設定的保護電壓時保護器按設定的要求進行保護，在動作（延時）設定時間內(nèi)動作或在報警時間內(nèi)報警，以保證電動機設備安全。

11. 欠功率保護

電動機由于傳動裝置損壞，失去機械輸出能力，欠載運行時，電動機功率因數(shù)較低，但電動機電流很大，大量消耗系統(tǒng)的無功，當負載功率與額定功率的百分比低于設定動作值時，保護器在動作（延時）設定時間內(nèi)動作或在報警時間內(nèi)報警。

12. 過熱保護

過熱保護采用數(shù)學方法建立電動機的發(fā)熱模型，從原理上解決了低壓電動機的熱保護問題。

07

總結

在專題一中，我們介紹了新能源車輛驅(qū)動電機的定義、旋轉(zhuǎn)原理、發(fā)電原理、內(nèi)部結構、相關散件部件和諸多的保護原理。

下一篇推中，我們將重點介紹電動車對電機性能的基本要求、常見的電機分類以及使用范圍最廣的感應電動機、直流電機等相關內(nèi)容，歡迎大家點擊閱讀轉(zhuǎn)發(fā)收藏~

審核編輯：郭婷