電動汽車的核心部件是為車輪提供機械動力和轉矩的電機。
電動汽車的核心部件是為車輪提供機械動力和轉矩的電機。與電動汽車中的其他部件一樣，電機的重量、效率和緊湊性是關鍵參數。安裝在電機上的磁體通常由稀土金屬(如釹)制成，而稀土金屬供應短缺，再加上制造電池所需其他材料的短缺，因此電機的優化設計至關重要。
全球變暖的極端影響在各個緯度都能感受到，為應對全球變暖的影響，電動汽車的部署正日益壯大。電機是所有電動汽車動力系統的重要組成部分，以具有競爭力的成本提高功率密度和效率的目標正在加速新電機架構的設計。
電機驅動系統總體方案
圖1：電機控制總體方案。
圖2：電動汽車架構和能量流。(來源：Hayes, J. G.和Goodarzi, G. A.，2018年)
圖1顯示了電機驅動系統最一般的方案。電源轉換器產生調節后的電能，用于驅動電機，電機的輸出是機械能。圖2代表了典型的電動汽車架構，它具有從油井到車輪的整體效率，能耗全部來源于此。相比之下，內燃機的油井至車輪效率分別為14%和17%，具體取決于它是基于奧托循環還是柴油循環。
電機可分為直流電機和交流電機。每種電機類型均由兩個主要物理部件組成：定子是靜止部件，轉子是旋轉部件。主要的交流電機類型使用三相交流電來產生旋轉磁場，其頻率和功率由對加速器做出反應的電力電子電路控制。
交流和直流電機基于相似的物理原理。速度和轉矩是電壓、電流和磁通量的函數。電磁機器的簡單方程可以表示為Tem=kI，其中Tem是轉矩2，k是取決于磁性材料的機器常數，I是提供給機器的電流。在電機繞組上感應的反電動勢電壓(E)與電機轉子的角速度(ωr)之間存在類似的關系：E=kωr。這兩個方程源自著名的安培力定律和法拉第感應定律。
電機要求
所有電動汽車的性能都受到電機規格的影響，并由電機的轉矩速度曲線和功率速度曲線決定。效率高、重量輕、功率密度大、尺寸小、可靠性高和成本低是基本要求。此外，電機會受到頻繁啟停、爬坡、加速和減速等不同工作條件的影響。這就意味著，低速時的大轉矩是實現正常啟動和加速的必要條件。
電動汽車電機還需要在高速時具有大功率，并在恒定功率區域具有較寬的速度范圍，如圖3所示。恒定轉矩區域在低速時非常重要，可提供良好的啟動并克服斜坡路線。恒功率區域決定了電動汽車在平坦道路上的最高速度。達到基本速度后，電機達到其額定功率極限，電機轉矩與速度的平方成比例地減小。不同型號的電機，這個范圍是不同的，這也是選擇合適電動汽車電機的關鍵參數。
圖3：電動汽車電機的典型速度轉矩特性。
電機類型
電動汽車電機一般包括直流電機、異步電機或感應電機(IM)、永磁同步電機(PMSM)、開關磁阻電機(SRM)和電勵磁同步電機(EESM)。它們都具有徑向磁通。磁通垂直于旋轉軸。最近，軸向磁通電機引起了人們的興趣，因為它可以提供更大的功率，同時質量密度較低。
直流電機
直流電機堅固耐用，易于驅動。直流電機又分為有刷和無刷兩種。有刷直流電機技術成熟，成本低、低速轉矩大、速度控制簡單，這些都是牽引電機的重要特性。然而，有刷直流電機由于尺寸大、效率低以及由于電刷和集電器磨損而需要維護，因此并未廣泛應用于電動汽車。有刷直流電機在汽車上的許多用途中都是最佳選擇：擋風玻璃刮水器、座椅和后視鏡調節器、電動轉向、電子油門控制、廢氣再循環、車窗升降和電動泵等等。電動汽車無刷直流電機使用電子換向器/逆變器系統代替電刷，效率更高。定子線圈由電子控制器按特定順序通電，從而產生與轉子上永磁體相互作用的旋轉磁場。
異步感應電機
感應電機因其結構簡單、即使在惡劣條件下也具有高可靠性、堅固耐用、易于維護且成本低廉而在電動汽車中非常常見。如果逆變器發生故障，感應電機可以自然去勵磁，這是電動汽車的一項重要安全功能。顧名思義，轉子與定子旋轉磁場異步旋轉，該磁場由三個等距線圈產生，電流相位相差120°。轉子主要是鼠籠式的，長條貫穿其中，兩端短接。根據法拉第定律，定子旋轉磁場會在轉子上感應出電壓和電流。然后，感應電流與轉子磁場相互作用，使其產生轉矩。與PMSM電機相比，感應電機的缺點是效率略低，感應電流會使轉子上產生的熱損耗較高，功率因數相對較低。這種電機通常設計為具有多個極對，以便在給定的機械速度下提高頻率，從而減小電機的尺寸和重量。
圖4：感應電機結構。(來源：Valeo Service)
永磁同步電機
PMSM的轉子中裝有永磁體。它們結構簡單，效率高于感應電機，功率密度高。在永磁交流電機中，轉子包含一對到多對永磁磁極。饋入定子的電流與轉子上的永磁體相互作用，產生轉矩。這種電機的缺點是成本高，永磁體在高速時會產生渦流損耗，而且由于磁體可能斷裂，因此存在可靠性風險。PMSM電機有兩種變體：表貼永磁(SPM)同步驅動電機和內置永磁(IPM)同步驅動電機。IPM電機主要用于電動汽車，性能優于SPM，但缺點是設計復雜。
內置永磁電機通過兩種機制產生轉矩：永磁磁通與供電電流之間的相互作用，以及供電電流與鐵材料之間的相互作用，進而產生磁阻轉矩。當將鐵磁物體置于外部磁場中，使其磁化并與外部磁場對齊時，就會發生這種情況。兩個磁場之間產生的轉矩，會使物體圍繞磁場線扭轉。
圖5所示為博格華納生產的220型PMSM，轉速為18,000rpm，可輸出250至450Nm的轉矩。功率范圍為135至300kW，工作電壓為300至800V。
圖5：博格華納的220型PMSM，具有8個極和48個槽，每個槽有8層繞組。(來源：博格華納)
開關磁阻電機
SRM利用轉子和定子的磁阻3來產生轉矩并控制速度。轉子由凸極(向外延伸的磁極)組成，而定子則包含集中繞組。轉子和定子由氣隙隔開，當電機不旋轉時，轉子磁極與定子磁極對齊。轉子和定子的極數決定了電機的轉矩和速度特性。
SRM的主要優點之一是轉矩密度高，即小尺寸下也能輸出大轉矩，這在空間有限的情況下(例如電動汽車)是一個重要特點。SRM的另一個優點是能夠精確控制轉子位置和速度。由于沒有磁體，避免了機械力的問題，因此電機能夠以更高的速度運行。由于各相沒有連接，即使其中一相斷開，SRM電機也能繼續運行。這種電機類型的缺點是振動和噪音增加。此外，凸極轉子和定子結構會產生較大的轉矩紋波。
電勵磁同步電機
PMSM在所有電機中效率最高，但稀土材料是個問題。因此，寶馬集團和雷諾集團等一些制造商采用了混合電機設計，即不含稀土材料的同步電機。事實上，這些電機并不使用轉子中的永磁體來產生電流，而是使用電刷和滑環。EESM定子通過交流電產生旋轉磁場。同時向轉子提供直流電，以產生與定子旋轉磁場同步的磁場。轉子和定子磁場之間的同步相互作用產生轉矩，推動汽車前進。另外，人們還可以改變轉子的磁場強度，以優化峰值功率輸出。據寶馬公司稱，這種電機的效率高達93%，與PMSM非常接近。盡管具有這些優點，但這種電機使用的電刷必須經過精心設計，才能獲得足夠長的使用壽命。目前已提出了一種基于無線輸電系統的EESM勵磁系統替代方案。
軸向磁通電機
與徑向磁通電機不同，在軸向磁通電機中，轉子和定子產生的磁場平行于旋轉軸。這種配置可以更有效地利用磁通，減少功率損耗，從而提高電機的整體效率。從數量上看，在軸向磁通電機中，轉矩和直徑之間的關系與直徑的三次方成正比。相比之下，在徑向磁通電機中，轉矩與直徑的二次方成正比，與長度成線性關系。因此，在相同轉矩下，軸向磁通電機的整體尺寸會減小，從而實現高功率密度。其缺點之一是，由于轉子和定子需要精確對齊，其制造成本相對較高。此外，由于該技術仍在不斷發展，其應用還不廣泛。圖6顯示的是梅賽德斯-奔馳公司旗下YASA公司生產的P400 R軸向磁通電機。
圖6：YASA P400 R電機。(來源：YASA Motors)
參考文獻
1Hayes, J. G., & Goodarzi, G. A. (2018). “Electric Powertrain: Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles.” Wiley.
2Torque is the extension of the linear force concept to rotating bodies and can be expressed as the product of the perpendicular component of force and the distance of the applied force from the rotation axis.
3Magnetic reluctance (R) is used in magnetic circuits and plays the same role as electrical resistance in electrical circuits. It is a measure of how much it opposes the magnetic flux (?).
（原文刊登于EE Times姊妹網站Power Electronics News，參考鏈接：Advances in Electric Motor Design Boost EV Performance，由Franklin Zhao編譯。）
本文為《電子工程專輯》2024年7月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
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