在新能源汽車發(fā)展的早期，直流電機(jī)曾經(jīng)憑借易于控制、調(diào)速性能好、成本低等優(yōu)勢(shì)成為新能源汽車不可或缺的主流產(chǎn)品，但伴隨這些優(yōu)點(diǎn)而生的，是售后維護(hù)不方便、可靠性不佳、使用壽命不滿足要求等缺陷。

隨著技術(shù)發(fā)展，直流電機(jī)也完成了自己的使命，逐漸被前文所述的交流電機(jī)，尤其是永磁同步電機(jī)所取代。

直流電機(jī)的定義

直流電機(jī)(synchronous machine)將直流電能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)向器組成。

直流電機(jī)的工作原理：

直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向）。

導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较颍髨D使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。

電動(dòng)車直流電機(jī)機(jī)構(gòu)

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，也稱為主磁極。定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。

運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

換向器由許多銅片組成，使用云母片作為絕緣。換向器的作用是使轉(zhuǎn)子的電流及時(shí)換向，將從電刷輸入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

直流電機(jī)的分類

直流電機(jī)按勵(lì)磁方式不同，可分為如下幾種類型。

直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場(chǎng)的問(wèn)題。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類型。

他勵(lì)

勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵(lì)直流電機(jī)。永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)。

并勵(lì)

并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)。作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是電機(jī)本身發(fā)出來(lái)的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。

串勵(lì)

串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源。這種直流電機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。

復(fù)勵(lì)

復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。

不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式，直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)式、并勵(lì)式和和復(fù)勵(lì)式。

直流電機(jī)的優(yōu)劣對(duì)比

(1) 優(yōu)點(diǎn)

從性能角度而言，直流電機(jī)具有良好的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，可以滿足電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力源低速高轉(zhuǎn)矩，高速地轉(zhuǎn)矩的要求，可以頻頻繁快速啟動(dòng)、制動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，調(diào)速平滑精準(zhǔn)，抗過(guò)載能力強(qiáng)，能夠承受頻繁的沖擊負(fù)載；

從控制邏輯而言，直流電機(jī)采用斬波器實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，控制靈活高效，質(zhì)量輕，體積小，響應(yīng)速度快；

從恒功率角度而言，直流電機(jī)恒功率輸出范圍寬，可確保車輛具有良好的低速啟動(dòng)性能和高速行駛能力。

(2) 缺點(diǎn)

效率低，和多種交流電機(jī)相比，直流電機(jī)的效率低下；

維護(hù)工作量大，有刷直流電機(jī)工作時(shí)電刷和轉(zhuǎn)向器之間會(huì)產(chǎn)生火花，轉(zhuǎn)向器易燒蝕；

電磁兼容影響，火花會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)整車電磁兼容性的影響很大，嚴(yán)重情況下，會(huì)影響整車上和安全相關(guān)的電子通信，危及車輛行駛安全；

使用范圍受限，當(dāng)高速運(yùn)行或大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向器表面容易產(chǎn)生火花，因此直流電機(jī)不能在多塵、潮濕、易燃易爆的環(huán)境下使用，不太適用于電動(dòng)車種種惡劣的工況。

最后，我們來(lái)介紹第四個(gè)常用電機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定義

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Machine)是一種新型調(diào)速電機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)主要包括電機(jī)實(shí)體、功率變化器、控制器與檢測(cè)器等部件。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)原理和三相異步交流電機(jī)一樣，都具有一個(gè)“旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)”。依次對(duì)轉(zhuǎn)子和定子通電，磁場(chǎng)就會(huì)運(yùn)動(dòng)，再按順序變換繞組正負(fù)極就完成了磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，就有了一個(gè)完整的相位變換。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩來(lái)源于“磁阻最小原理”——磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)原理

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)劣對(duì)比

(1) 優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有滑環(huán)、繞組和永磁體等，定子只需要幾個(gè)集中繞組即可，整體結(jié)構(gòu)比感應(yīng)電機(jī)還要簡(jiǎn)單，因此制造漸變，成本低廉；

電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠程度高，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無(wú)關(guān)，即只需單方相繞組電流，故功率電路可以做到每相一個(gè)功率開(kāi)關(guān)，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件均直接與電動(dòng)機(jī)繞組相串聯(lián)，規(guī)避了短路風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)中的保護(hù)電路可以簡(jiǎn)化，降低成本。

性能好，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)可以在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)運(yùn)行，在很廣的范圍內(nèi)保持高效率，適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可在15000-50000rpm運(yùn)轉(zhuǎn)，響應(yīng)性好，調(diào)速范圍大；

控制靈活多變，可實(shí)現(xiàn)四象限工作，不會(huì)由于電機(jī)溫度高而失去磁性。

(2) 缺點(diǎn)

轉(zhuǎn)矩有脈沖現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩石是由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成，這影響開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的低速運(yùn)行性能，功率密度和效率偏低；

振動(dòng)和噪音大，這是由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩有脈動(dòng)現(xiàn)象，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)與噪音；

控制系統(tǒng)復(fù)雜，相較于其他類型電機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)還需要位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器等，使得控制和接線比較復(fù)雜。

總結(jié) 4種常見(jiàn)電機(jī)的參數(shù)匯總

我們?cè)谏弦黄莆牡幕A(chǔ)上，把4種常見(jiàn)電機(jī)的性能匯總起來(lái)，形成如下對(duì)比表格，供大家在工作學(xué)習(xí)中查閱。

電機(jī)比較

至此，有關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)信息已全部分享完畢，后續(xù)將不間斷地分享和科普有關(guān)新能源汽車的幾大重要部件，包括DCDC轉(zhuǎn)換器，動(dòng)力電池，高壓配電盒和車載充電機(jī)等核心電器件。

審核編輯：郭婷