新能源车辆驱动电机的定义与工作原理分析

想要从事新能源汽车相关的工作，深入了解新能源汽车（电动汽车），势必绕不开新能源三大件——驱动电机，电驱控制器和电池。

从整车成本占比来看，三电系统几乎可以占到整车50%的材料成本；

从技术角度来说，这三个零件是区别于传统燃油车的核心技术，也是影响车辆产品性能表现的直接因素。

在本次系列推文中，我们将对三大件之一的驱动电机做一个系统梳理，覆盖电机的定义、工作原理，到电机基础结构、组成散件、保护原理、基本性能等范畴。

希望通过我们的系统梳理，能帮助从事新能源汽车行业的读者了解这一最能代表新能源汽车和燃油车差异的零件。

01

驱动电机的定义

电机，英文：Electric machinery，俗称“马达”，是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。

电机在电路中是用字母M（旧标准用D）表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源，发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是利用机械能转化为电能。

02

电机的旋转原理

电机的原理很简单，简单的说就是利用电能在线圈上产生旋转磁场，并推动转子转动的装置。学过电磁感应定律的都知道，通电的线圈在磁场中会受力转动，电机的基本原理就是如此，这是初中物理的知识。

为了便于后续电机原理的说明，我们来回顾下有关电流，磁场和力的基本定律/法则。

如之前所说，电机的发电本质上依赖于电磁感应。

左图显示电流按照弗莱明右手定则流动，又称发电机定则或右手定则。

可以求出导体在磁场下移动时所产生的电流方向。

右手三根手指互相垂直，拇指的方向是导线移动方向，食指指的是磁场方向，中指的则为电流方向。

通过导线在磁通中的运动，在导线中产生电动势并且有电流流动。

中间的图是法拉第定律。

法拉第定律是描述电极上通过的电量与电极反应物重量之间的关系的，又称为电解定律。

它又分为两个子定律，即法拉第第一定律和法拉第第二定律。

第一定律即为在电极界面上发生化学变化物质的质量与通入的电量成正比。

第二定律即为通电于若干个电解池串联的线路中，当所取的基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反应的物质，其物质的量相同，析出物质的质量与其摩尔质量成正比。

右图表示的是楞次定律。

楞次定律表示的是，感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。还可表述为：感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。

当磁铁（磁通）靠近或远离线圈时，电流沿不同的方向流动。

我们将在此基础上来解释发电原理。

03

电机发电原理

假设面积为S（＝l×h）的线圈在均匀磁场中以ω的角速度旋转。

此时，假设线圈表面的平行方向（中间图中的黄线）和相对于磁通密度方向的垂直线（黑色虚线）形成角度为θ（=ωt），则穿透线圈的磁通量Φ由下式表示：

另外，通过电磁感应在线圈中产生的感应电动势E如下：

当线圈表面的平行方向垂直于磁通方向时，电动势变为零，而水平时电动势的绝对值最大。

这样，电机就具备了发电作用。我在这里说明的是电机具有旋转动作和发电作用，并不意味着要将电机用于发电。如果要发电，通常使用专为发电进行了优化的发电机。

04

电机的结构

电机主要是两部分组成，固定不动的定子部分以及转动的转子部分，和其他散件。

1. 定子(静止部分)

定子铁心是电机磁路重要部分，并在其上放置定子绕组；

构造：定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

定子铁心槽型有以下几种：

半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

定子绕组的本质是线圈，电动机的电路部分，接电源，用于产生旋转磁场；

定子绕组的构造：由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。

1）对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

2）相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。

3）匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。

2. 转子和转子绕组(运动部分)

【转子】

转子：转子的作用是作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

【转子绕组】

作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。

1）鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

05

电机的其他部件

除了定子和转子绕组两个最为关键的核心部件外，电机还由其他若干重要的零件组成，包括风扇、接线盒、基座、轴承和端盖等散件。

风扇：一般安装在电机尾部，用于给电机散热；

接线盒：用于接入电源，如交流三相异步电机，还可以根据需要接星形或者三角形；

机座：机座是用来固定定子铁心及电机端盖，并起防护、散热等作用。机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

轴承：指的是连接电机旋转和不动部分；

端盖：电机外面的前后盖子，起到支撑作用。

06

电机保护原理

电机保护原理包括多个维度，一般来说，覆盖过载保护、欠载保护、堵转/阻塞保护、短相保护、接地/漏电保护、外部故障保护、启动超时保护、相序保护、欠压/过压保护、欠功率保护和过热保护等。

1.过载保护

当电动机在过负载故障下，长时间超过其额定电流运行时，会导致电动机过热，绝缘降低而烧毁，保护器根据电动机的发热特性，计算电动机的热容量，模拟电动机发热特性对电动机进行保护，过载保护不同脱扣级别对应的特征。

2. 欠载保护

当电动机所带负载为泵式负载时，电动机空载或欠载运转会产生危害，保护器提供欠载保护，当三相的平均电流与额定电流的百分比低于设定值时，保护器应在动作（延时）设定时间内动作或在报警时间内报警。

3.堵转/阻塞保护

电动机在起动时或运行过程中，如果由于负荷过大或自身机械原因，造成电时机轴被卡住，而未及时解除故障，将造成电机过热，绝缘降低而烧毁电机，堵转保护适用于电动机起动发生此类故障进行保护，阻塞保护适用于电动机运行过程中发生此类故障时进行保护，当电流达到动作设定电流时，保护器应在动作（延时）设定时间内动作或在报警时间内报警。

4.断相（不平衡）保护

断相（不平衡）故障运行时电动机的危害很大，当电动机发生断相或三相电流严重不平衡时，如不平衡率达到保护设定值时，保护器按照设定的要求保护，发出停车或报警指令，使电动机的运行更加安全。

5.接地/漏电保护

保护器同时具备接地保护和漏电保护功能。接地保护电流信号取于内部电流互感器的矢量和，用于保护相线对电动机金属外壳的短路保护，保护器可通过增加漏电互感器，检测出30mA~50mA的故障电流，主要用于非直接接地的 保护，以保证人身安全。

6. 外部故障保护

当保护器检测到有外部故障出现，外部故障开关量输入与保护器定义的开关量输入状态不一致时，保护器按照设定的要求保护，确保电动机设备安全。

7. 起动超时保护

在电动机起动过程中，保护器只具有断相（不平衡），接地/漏电等保护功能，其余保护功能不起作用，在起动结束后，所有保护功能（按用户设定）均自动投入，当电动机起动时间超过用户设定的起动时间，电流还大于额定电流1.1倍时，保护器按照设定的要求保护，在动作（延时）设定时间内发出停车命令，停止电机运行。

8.相序保护

具有相序保护功能的保护器，当其电源侧的电压相位顺序与设定的顺序一致时，保护器应不动作。当保护器检测到电动d的相序接错时，电动机应不能起动。

9.欠压保护

电压过低会引起电动机转速降低，甚至停止运行，当电动机运行电压下降至设定的欠电压保护范围时，保护器按设定的要求进行保护，在动作（延时）设定时间内动作或在报警时间内报警，以避免重要的生产工艺造成混乱，严重影响生产。

10. 过压保护

电压过高会引起电动机绝缘程度损伤，当电动机运行电压超过设定的保护电压时保护器按设定的要求进行保护，在动作（延时）设定时间内动作或在报警时间内报警，以保证电动机设备安全。

11. 欠功率保护

电动机由于传动装置损坏，失去机械输出能力，欠载运行时，电动机功率因数较低，但电动机电流很大，大量消耗系统的无功，当负载功率与额定功率的百分比低于设定动作值时，保护器在动作（延时）设定时间内动作或在报警时间内报警。

12. 过热保护

过热保护采用数学方法建立电动机的发热模型，从原理上解决了低压电动机的热保护问题。

07

总结

在专题一中，我们介绍了新能源车辆驱动电机的定义、旋转原理、发电原理、内部结构、相关散件部件和诸多的保护原理。

下一篇推中，我们将重点介绍电动车对电机性能的基本要求、常见的电机分类以及使用范围最广的感应电动机、直流电机等相关内容，欢迎大家点击阅读转发收藏~

审核编辑：郭婷