內(nèi)燃機(jī)在傳統(tǒng)汽車中出現(xiàn)，因?yàn)橹饕獱恳Я耍《氖切碌慕鉀Q方案，電動(dòng)機(jī)和電池處于場(chǎng)景的中心。這要?dú)w功于電池技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)允許創(chuàng)建能夠以較低成本為合理自主提供能量的系統(tǒng)。此外，內(nèi)燃機(jī)無(wú)疑是產(chǎn)生CO2的原因之一。

• 電動(dòng)機(jī)：它是什么以及它是如何工作的
• 發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力總成：含義
• 不同類型的電動(dòng)機(jī)
• 電機(jī)分類
  • 直流電機(jī)
  • 無(wú)刷直流電機(jī)
  • 步進(jìn)電機(jī)
• 駕駛技術(shù)
  • 1 相開（或波驅(qū)動(dòng)）
  • 2 相開啟（或全步）
  • 半步
  • 微步
• 步進(jìn)電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)
  • 永磁體
  • 可變磁阻
• 雜交種
  • 混合動(dòng)力馬達(dá)
  • 工作原理
  • 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)

電動(dòng)機(jī)：它是什么以及它是如何工作的

與電池一起，電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)的一部分。我們當(dāng)然可以說(shuō)它代表了汽車或電動(dòng)汽車的心臟。然而，有不同類型的電動(dòng)機(jī)用于此目的。那么發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該是怎樣的呢？哪些功能使其更好或更適合電動(dòng)汽車應(yīng)用？

電動(dòng)機(jī)必須：

• 能夠從零速開始產(chǎn)生顯著的扭矩；
• 確保顯著的峰值功率具有與傳統(tǒng)汽車相媲美的性能；
• 具有盡可能簡(jiǎn)單的先導(dǎo)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)控制；
• 輕巧緊湊；
• 成本有限；
• 具有高效率水平；
• 在使車輛減速的同時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)。

綜上所述，理想的牽引應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備高啟動(dòng)扭矩、高功率密度、高能效等優(yōu)良特性。基于特定技術(shù)，不同類型的引擎提供不同程度的功能。

發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力總成：含義

但是讓我們簡(jiǎn)要地澄清一下。什么是發(fā)動(dòng)機(jī)，什么是動(dòng)力總成？動(dòng)力總成是什么意思？在汽車和運(yùn)輸應(yīng)用中（圖 1），發(fā)動(dòng)機(jī)需要一系列組件來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力并將動(dòng)力傳遞給車輛的移動(dòng)方式（例如道路，但也包括空氣或水）。因此，我們所說(shuō)的動(dòng)力總成是指發(fā)動(dòng)機(jī)、其部件（電源、冷卻系統(tǒng)、點(diǎn)火裝置、電池等）和變速器。

我們隨后將只關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)，如前所述，它代表了電動(dòng)汽車的跳動(dòng)心臟。

不同類型的電動(dòng)機(jī)

在我們可以找到的電動(dòng)機(jī)類型中：

• 直流電機(jī)（DC電機(jī)）；
• 直流無(wú)刷電機(jī)（DC或BLDC電機(jī)）；
• 永磁同步電機(jī)或PMSM同步電機(jī)；
• 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)——三相電動(dòng)機(jī)；
• 開關(guān)磁阻電機(jī)或 SRM 電機(jī)。

電機(jī)分類

直流電機(jī)

直流電機(jī)（見圖 2）應(yīng)按順序提及，因?yàn)樗鼈兪巧蟼€(gè)世紀(jì)上半葉廣泛用于牽引應(yīng)用的第一批電機(jī)。它們具有積極的方面：?jiǎn)?dòng)時(shí)的高扭矩、支持負(fù)載突然增加的能力、簡(jiǎn)單的速度控制、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和低成本。但是有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：需要在旋轉(zhuǎn)部件上安裝電觸點(diǎn)，即電刷，以允許切換轉(zhuǎn)子繞組上的極性。

由于這些原因，它們被稱為有刷電機(jī)，因此，由于碳刷的消耗，它們需要經(jīng)常維護(hù)。這實(shí)際上使它們退出了這些類型的應(yīng)用程序的市場(chǎng)。

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無(wú)刷直流電機(jī)

無(wú)刷電機(jī)不需要有刷電機(jī)所需的維護(hù)。它們的特點(diǎn)與直流電相似：出色的啟動(dòng)扭矩、高能效、高達(dá) 95/98% 的功率密度（kW / dm3），允許在相同的功率發(fā)展下具有特別緊湊的尺寸。

對(duì)于這些特性，它們是應(yīng)用中的首選電機(jī)類型，電動(dòng)自行車和中功率兩輪，其中緊湊性因素是基礎(chǔ)。

在有刷電機(jī)中，后者通過(guò)換向器將電流傳送到位于轉(zhuǎn)子上的繞組，該換向器執(zhí)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)功能。在 BLDC 電機(jī)中，繞組不在轉(zhuǎn)子上，而是在定子上，即固定部分，而包含永磁體的是轉(zhuǎn)子。

由于繞組是靜態(tài)的，因此不需要電刷和旋轉(zhuǎn)開關(guān)的組合。

在有刷電機(jī)中，通過(guò)控制構(gòu)成轉(zhuǎn)子的繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，而構(gòu)成定子的產(chǎn)生的磁體是固定的。

要改變轉(zhuǎn)速，您需要改變繞組中的電壓或電流，從而改變轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

在 BLDC 電機(jī)中，永磁體移動(dòng)，并且通過(guò)移動(dòng)由固定定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)獲得旋轉(zhuǎn)。

圖 3 顯示了 BLDC 電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)：定子上的三個(gè)繞組，通常有一個(gè)通過(guò)端子的點(diǎn)。同一圖顯示了典型的驅(qū)動(dòng)電路，其中突出顯示了組件，在這種情況下，我們可以看到充當(dāng)開關(guān)的晶體管。

一方面，它們將 BLDC 端子連接到直流電壓的正極，而另一方面，它們?nèi)匀贿B接到電源的負(fù)極。在所示的序列中，磁場(chǎng)通過(guò)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子的永磁結(jié)構(gòu)來(lái)追逐它，從而完成一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)。所示的每個(gè)階段都必須出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的精確位置，以獲得最大扭矩。為此，一個(gè)信號(hào)顯示了先導(dǎo)電路和轉(zhuǎn)子的位置，以激活正確的相位。圖 3 中的圖表指示霍爾傳感器作為負(fù)責(zé)此功能的單元，但其他解決方案也是可能的，例如光學(xué)編碼器或稱為旋轉(zhuǎn)變壓器的單元。

BLDC 電機(jī)，尤其是在牽引領(lǐng)域，有兩種形式：內(nèi)轉(zhuǎn)子（內(nèi)轉(zhuǎn)子）或外轉(zhuǎn)子（外轉(zhuǎn)子）。在第一種情況下，該實(shí)施例類似于圖 3 中概述的形狀，它需要一個(gè)外部傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)將動(dòng)力傳遞到車輪，因此會(huì)占用更多的車內(nèi)空間。

這些仍然與外部轉(zhuǎn)子版本（外轉(zhuǎn)子）形成對(duì)比，轉(zhuǎn)子和定子交換位置。帶有勵(lì)磁繞組的定子在內(nèi)部，但是帶有永磁體的轉(zhuǎn)子在外部旋轉(zhuǎn)，從而使輪子可以直接安裝在外部轉(zhuǎn)子上，從而節(jié)省了傳遞運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械零件.

步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是直流無(wú)刷電機(jī)系列的一部分，在需要運(yùn)動(dòng)精度和可重復(fù)性的中小功率領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。它們也易于使用并且在制造商中廣泛使用。

步進(jìn)電機(jī)是無(wú)刷直流電機(jī)系列的一部分。它們沒(méi)有執(zhí)行改變轉(zhuǎn)子繞組中電流方向的功能的電刷。另一方面，在這些電機(jī)中，所有繞組都是定子的一部分，而轉(zhuǎn)子是通過(guò)適當(dāng)組裝永磁體制成的。

只有在不廣泛使用的可變磁阻電機(jī)的情況下，轉(zhuǎn)子才代替了導(dǎo)磁材料。作為無(wú)刷電機(jī)，所有的開關(guān)操作都必須通過(guò)合適的外部控制電路進(jìn)行。

它們的角分辨率范圍很廣：從每一步旋轉(zhuǎn) 90° 的粗略，到通常能夠 1.8° 相位或每轉(zhuǎn) 200 步的分辨率的永磁電機(jī)的堅(jiān)固性，甚至 0.72°（500 步分辨率）。

圖 4 表示具有 4 線雙極連接的兩相步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。定子有四個(gè)磁極，繞組立在其上。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子的永磁體與其對(duì)齊

通過(guò)依次移動(dòng)不同繞組的通電，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)共存以拖動(dòng)轉(zhuǎn)子。步進(jìn)電機(jī)符號(hào)源自這種結(jié)構(gòu)：一個(gè)圓圈代表轉(zhuǎn)子，兩個(gè)相互垂直的電感代表繞組，在圖 4 的理想化中，它們實(shí)際上是相互正交的。

圖 5 顯示了將各種繞組連接到外部的最常用方法。“4線”被定義為雙極，因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)反轉(zhuǎn)施加的極性來(lái)驅(qū)動(dòng)繞組以改變磁場(chǎng)的方向。

“6 線”配置是最常見的，即位于一對(duì)相對(duì)磁極上的兩半繞組之間的連接。在這種情況下，通過(guò)將繞組的一端交替接地來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)。

“8 線”版本具有最大的靈活性：可以獲得兩個(gè)半繞組串聯(lián)或并聯(lián)的雙極配置，以及單極解決方案。

駕駛技術(shù)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組有四種不同的可能方式：

• 1 相開（或波驅(qū)動(dòng)），
• 2 相開啟（或全步），
• 半步（或階段 1 和 2 ON），
• 微步。

1 階段（或波驅(qū)動(dòng)）

在下圖中（見圖 6），使用了兩相步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，使工作原理更易于理解。轉(zhuǎn)子（綠色箭頭表示北極）是一個(gè)兩極磁鐵。在定子中，四 (4) 個(gè)磁極交替顯示為綠色，以指示相關(guān)繞組產(chǎn)生磁化，將磁南側(cè)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)子（以拉動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁北）。

在這種類型的引導(dǎo)中，一次僅在一個(gè)序列中存在一個(gè)階段。當(dāng) A 相升壓時(shí)，轉(zhuǎn)子保持與其對(duì)齊。當(dāng) A 相關(guān)閉時(shí)，B 相被激活，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 90°，如圖 5 中的步驟 2 所示。因此，需要四 (4) 個(gè)步驟才能完成一圈。對(duì)于分辨率為 200 步/轉(zhuǎn) (1.8 = (360° / 50) / 4) 的步進(jìn)電機(jī)，這相當(dāng)于旋轉(zhuǎn) 1.8°。

2 相開啟（或全步）

總是有兩個(gè)（相鄰）階段活動(dòng)檢查圖 6（右）。在存在兩相同時(shí)活躍的情況下，轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)吸引力。在圖 5 的情況下，功率是在中午，而具有相同強(qiáng)度的第二個(gè)是在與第一個(gè)正交的方向上。這兩個(gè)矢量的和產(chǎn)生一個(gè) 45° 的結(jié)果，其值為單相產(chǎn)生的磁場(chǎng)的 1.41 倍。此外，步距角為 90°，與“1 相開啟”的情況一樣，但扭矩提高了 41%。然而，這也涉及雙耗散功率，因?yàn)??兩個(gè)繞組同時(shí)被激活。如果管理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。

半步（或階段 1 和 2 ON）

在這種情況下，將前兩種方法結(jié)合起來(lái)，首先單獨(dú)激活一個(gè)階段，然后同時(shí)觸發(fā)這兩個(gè)階段。在這種情況下，每一步對(duì)應(yīng)一個(gè) 45° 的旋轉(zhuǎn)，是前兩種情況的一半（因此得名“半步”）。因此需要八個(gè)階段來(lái)完成一個(gè)旋轉(zhuǎn)。

微步

從半步驅(qū)動(dòng)開始，您可以進(jìn)行角度分辨率甚至變化的驅(qū)動(dòng)，即具有更包含值的步。如果我們考慮控制兩個(gè)有源繞組中的電流，從而控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，我們可以確保兩個(gè)磁場(chǎng)的合成矢量位于特定角度。

一旦 A 相處于最大功率且 B 相處于零電平，轉(zhuǎn)子與 A 相對(duì)齊。隨著 A 相電流減小并同時(shí) B 相電流增加，轉(zhuǎn)子將向 B 相移動(dòng)其定位。A 和 B達(dá)到最大電流時(shí)對(duì)齊，而 A 相已達(dá)到零。

一些集成電路制造商提供的組件能夠使用微步進(jìn)技術(shù)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此能夠提供電流。μsteps / step 的數(shù)量通常可編程為 1（全步）、2（半步）、4、8（但也高達(dá) 256）。

微步進(jìn)的另一個(gè)缺點(diǎn)仍然是獲得高轉(zhuǎn)速所需的工作頻率的倍增。例如，在分辨率為 200 步的電機(jī)中使用 128 μsteps/整步，總共需要 200 x 128 = 25600 μsteps 才能完成旋轉(zhuǎn)。如果首選 6000 rpm (100 rpm) 的轉(zhuǎn)速，則掃描 μsteps 的順序應(yīng)為 2.56 Mhz (25.600 x 100 = 2.560.000 Hz)。

步進(jìn)電機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)、操作和特性

步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)分為三種：

• 永磁步進(jìn)電機(jī)；
• 可變磁阻步進(jìn)電機(jī)；
• 混合式步進(jìn)電機(jī)。

永磁步進(jìn)電機(jī)

它們由轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子的外圓周由極性相反的永磁體并排排列，磁通量的徑向平行于轉(zhuǎn)子的軸線。定子帶有繞組，繞組依次被驅(qū)動(dòng)以拖動(dòng)轉(zhuǎn)子。

最常用于此類電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)稱為“可堆疊”，其定子形狀如圖 7 所示。

電機(jī)只有兩個(gè)繞組，兩相各有 20 個(gè)極。每 360° / 20 = 18° 一個(gè)極點(diǎn)，代表步距角。繞組的每一相都與一個(gè)環(huán)形低碳鋼鎧裝共存——在內(nèi)環(huán)上，有 20 個(gè)與電機(jī)軸方向相同的定子磁極。這些定子磁極呈爪形（因此也稱為“爪形步進(jìn)電機(jī)”），并且由于它們的錐形形狀，它們傾向于將磁通量集中在爪形最窄的部分。每個(gè)爪或齒，當(dāng)它是活動(dòng)相的一部分時(shí)，顯示出一個(gè)磁極，與相鄰的相反極交替。這種南北齒交替吸引永轉(zhuǎn)子磁鐵。第二個(gè)定子具有相同的結(jié)構(gòu)，但與第一個(gè)定子相比，相位相差半個(gè)俯仰角或九度。

可變磁阻步進(jìn)電機(jī)

這些類型的特點(diǎn)是它們?cè)谵D(zhuǎn)子或定子中沒(méi)有永磁體，并且它們的結(jié)構(gòu)是有史以來(lái)最簡(jiǎn)單的。您可以在圖 8 中看到這一點(diǎn)，它代表了一個(gè)三相 RV 步進(jìn)器，

定子由模制硅鋼片制成，定子極數(shù)為偶數(shù)或奇數(shù)（通常為偶數(shù)）。每個(gè)定子極帶有一個(gè)勵(lì)磁繞組。如果磁極均勻記錄，則相反磁極的曲折串聯(lián)起來(lái)，使磁場(chǎng)加強(qiáng)，兩者結(jié)合為電動(dòng)機(jī)的一相。

轉(zhuǎn)子由壓制的硅鋼板組成，這些鋼板向齒或磁極的外側(cè)突出，不帶繞組。這些極數(shù)必須與定子極數(shù)不同，才能啟動(dòng)電機(jī)并觸發(fā)雙向旋轉(zhuǎn)。

有多個(gè)堆疊電機(jī)，它們被視為具有相同軸的不同 RV 電機(jī)，以增加角分辨率。最常見的配置有三個(gè)單元，數(shù)量也可以達(dá)到七個(gè)。假設(shè) m 是單元數(shù)，則每個(gè)定子與相鄰定子的相位相差 360°/m。但是，如果我們逐步淘汰相等值的轉(zhuǎn)子磁極并保持定子磁極對(duì)齊，則情況相同

RV 步進(jìn)器提供的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是成本相對(duì)較低，這通常會(huì)受到低水平扭矩的影響。

雜交種

混合動(dòng)力馬達(dá)

混合電機(jī)結(jié)合了永磁步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和可變磁阻的優(yōu)點(diǎn)。混合版本的結(jié)構(gòu)比前兩種類型復(fù)雜得多。

首先值得注意的是，轉(zhuǎn)子在其軸上具有永磁體，其磁取向與轉(zhuǎn)子軸本身的取向相同。在永磁體的每個(gè)磁極上，都有一個(gè)齒形結(jié)構(gòu)——前齒杯和后齒杯——彼此分開，并有半個(gè)齒距的角度偏移。

齒數(shù)決定步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。在一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)中，所有的轉(zhuǎn)子齒將匹配相同的定子極。因此，每轉(zhuǎn)的步數(shù)是兩個(gè)轉(zhuǎn)子杯中的齒的典型值，這是一個(gè)四相電機(jī)導(dǎo)致一些步數(shù)。

對(duì)于高分辨率，即小步距角，但相位數(shù)量有限，不是制造許多小定子磁極，而是制造更大的定子磁極并將其分成更多具有齒距的“齒”。在規(guī)則節(jié)距的情況下，連續(xù)相的磁極必須具有每個(gè)定子磁極可以包含的最大齒數(shù)。

工作原理

15齒轉(zhuǎn)子有一段在永磁體的南極（圖中藍(lán)色部分）和另一部分在北側(cè)（紅色側(cè)），偏移半步。通過(guò)偏移，轉(zhuǎn)子具有 30 個(gè)相反極性的交錯(cuò)磁極。這個(gè)相同的偏移允許在相位的極性反轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn) 1/30 的轉(zhuǎn)角。四 (4) 個(gè)極的定子齒對(duì)應(yīng)于 15 個(gè)轉(zhuǎn)子齒。除了在定子之間的空間中的齒。因此，轉(zhuǎn)子的一極，例如南極，可以在 15 個(gè)不同的位置與定子對(duì)齊。與另一端的轉(zhuǎn)子齒相比，南極上的轉(zhuǎn)子齒偏移了半步。因此，轉(zhuǎn)子可以在 30 個(gè)不同的位置與定子對(duì)齊。

如果我們現(xiàn)在查看定子的主極，定子相位是四分之一 (?) 齒異相。結(jié)果是，當(dāng)分段一個(gè)接一個(gè)地加強(qiáng)時(shí)，轉(zhuǎn)子以 1/4 齒步長(zhǎng)移動(dòng)。換句話說(shuō)，要完成一圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子必須從 ? 前進(jìn) 2 x 30 = 60 步。

以下注釋說(shuō)明了隨后激活兩個(gè)電機(jī)相位所產(chǎn)生的四分之一 (?) 齒旋轉(zhuǎn)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：

• 它們可以達(dá)到非常小的步距角，而不需要大量的相位。
• 出色的動(dòng)態(tài)性能
• 由于磁化和磁阻的結(jié)合產(chǎn)生了出色的扭矩

　　審核編輯：湯梓紅