想要從事新能源汽車相關(guān)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(shù)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(shù)，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(chǔ)結(jié)構(gòu)、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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)過電磁感應(yīng)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(guān)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(yīng)。

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線在磁通中的運動，在導(dǎo)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(yīng)物重量之間的關(guān)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(xué)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(dāng)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(yīng)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(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。還可表述為：感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因。

當(dāng)磁鐵（磁通）靠近或遠(yuǎn)離線圈時，電流沿不同的方向流動。

我們將在此基礎(chǔ)上來解釋發(fā)電原理。

03

電機發(fā)電原理

假設(shè)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(shè)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(yīng)在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E如下：

當(dāng)線圈表面的平行方向垂直于磁通方向時，電動勢變?yōu)榱?，而水平時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(jié)構(gòu)

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(gòu)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(gòu)造：由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(gòu)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(yīng)電動勢及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動機旋轉(zhuǎn)。

構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故繞線式電動機的應(yīng)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(shè)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(guān)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(fēng)扇、接線盒、基座、軸承和端蓋等散件。

風(fēng)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(fēng)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(dāng)電動機在過負(fù)載故障下，長時間超過其額定電流運行時，會導(dǎo)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(yīng)的特征。

2. 欠載保護

當(dāng)電動機所帶負(fù)載為泵式負(fù)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(dāng)三相的平均電流與額定電流的百分比低于設(shè)定值時，保護器應(yīng)在動作（延時）設(shè)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(fù)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(dāng)電流達到動作設(shè)定電流時，保護器應(yīng)在動作（延時）設(shè)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(dāng)電動機發(fā)生斷相或三相電流嚴(yán)重不平衡時，如不平衡率達到保護設(shè)定值時，保護器按照設(shè)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(dāng)保護器檢測到有外部故障出現(xiàn)，外部故障開關(guān)量輸入與保護器定義的開關(guān)量輸入狀態(tài)不一致時，保護器按照設(shè)定的要求保護，確保電動機設(shè)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(jié)束后，所有保護功能（按用戶設(shè)定）均自動投入，當(dāng)電動機起動時間超過用戶設(shè)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(shè)定的要求保護，在動作（延時）設(shè)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(dāng)其電源側(cè)的電壓相位順序與設(shè)定的順序一致時，保護器應(yīng)不動作。當(dāng)保護器檢測到電動d的相序接錯時，電動機應(yīng)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(dāng)電動機運行電壓下降至設(shè)定的欠電壓保護范圍時，保護器按設(shè)定的要求進行保護，在動作（延時）設(shè)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(yán)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(dāng)電動機運行電壓超過設(shè)定的保護電壓時保護器按設(shè)定的要求進行保護，在動作（延時）設(shè)定時間內(nèi)動作或在報警時間內(nèi)報警，以保證電動機設(shè)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(dāng)負(fù)載功率與額定功率的百分比低于設(shè)定動作值時，保護器在動作（延時）設(shè)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(xué)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(jié)

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(jié)構(gòu)、相關(guān)散件部件和諸多的保護原理。

編輯：黃飛

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