本文来源：驱动视界（ID：VehicleDriveTech）

1、电动汽车驱动电机的三大指标和六大要求

三大指标：

最大行驶里程(km)：电动汽车在电池充满电后的最大行驶里程；

加速能力(s)：电动汽车从静止加速到一定的时速所需要的最小时间；

最高时速(km/h)：电动汽车所能达到的最高时速。

六大要求：

1、高过载能力：工业电机只要求有2倍的过载就可以了，而电动汽车驱动电机需要有4-5倍的过载以满足短时加速或爬坡的要求；

2、宽调速能力：工业电机只需要达到恒功率是基本速度的2倍即可，而电动汽车的最高转速要求达到在公路上巡航时基本速度的4-5倍。

调速范围应包括恒转矩区和恒功率区，低速运行输出的恒定转矩大，以满足汽车快速启动、加速、负荷爬坡等要求;高速运行输出恒定功率，有较大的调速范围，以满足平坦的路面、超车等高速行驶的要求。

3、工业电机只需根据典型的工作模式设计，而电动汽车驱动电机需要根据车型和驾驶员的驾驶习惯设计。

4、工业电机通常对功率密度、效率和成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化即可，而电动汽车驱动电机要求有高度功率密度（一般要求达到1kw/kg以内）和好的效率图（在较宽的转速范围和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；

5、工业电机只有某一种特定的性能要求，而电动汽车驱动电机要求工作可控性高、稳态精度高、动态性能好。

6、工业电机通常在某一个固定位置工作，而电动汽车驱动电机被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气、及频繁振动等等恶劣环境下。

2、有刷电机和无刷电机

有刷电机和无刷电机的区别是是否配置有常用的电刷-换向器。有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的。

有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。

碳电极在线圈接线头上滑动，象刷子在物体表面刷，因此叫碳“刷”。相互滑动会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷；碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。

而无刷电机则通过霍尔传感器把转子位置反馈回控制电路，使其能够获知电机相位换向的准确时间。

大多数无刷电机生产商生产的电机都具有三个霍尔效应定位传感器。由于无刷电机没有电刷，故也没有相关接口，因此更干净，噪声更小，事实上无需维护，寿命更长。

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

有刷电机和无刷电机工作原理的区别：

1、有刷马达调速过程是调整电源电压的高低。调整后的电压电流通过整流子及电刷转换，改变电极产生的磁场强弱，达到改变转速的目的。这一过程被称之为变压调速。

2、无刷调速过程是供电电源的电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS管的开关速率，来实现转速的改变。这一过程被称之为变频调速。

直流有刷电机的主要组成部分：

1、定子：直流电机的定子也称为主磁极，其主要构成是磁极铁心和磁极绕组。

2、转子：直流电机的转子也称为电枢，由电枢铁心和电枢绕组构成。

3、换向器：换向器的作用是使电枢绕组中的电流及时换向，将从电刷输入的直流电转换为电枢绕组的交流电。换向器是由许多铜片组成的，各铜片用云母片绝缘。

有刷电机和无刷电机的性能特点：

1、有刷电机结构简单、开发时间久、技术成熟

2、直流有刷电机响应速度快，起动扭矩大：直流有刷电机起动扭矩大，速度从零到最大几乎感觉不到振动，起动时可带动更大的负荷。

3、直流有刷电机运行平稳，起、制动效果好。有刷电机是通过调压调速，所以起动和制动平稳，恒速运行时也平稳。

无刷电机通常是数字变频控制，先将交流变成直流，直流再变成交流，通过频率变化控制转速，所以无刷电机在起动和制动时运行不平稳，振动大，只有在速度恒定时才会平稳。

4、直流有刷电机控制精度高：控制精度可以达到0.01毫米，几乎可以让运动部件停在任何想要的地方。所有精密机床都是采用直流电机控制精度。

无刷电机由于在启动和制动时不平稳，所以运动部件每次都会停到不同的位置上，必须通过定位销或限位器才可以停在想要的位置上。

5、直流有刷电机使用成本低，维修方便：如果电机故障，只需更换碳刷即可，每个碳刷只需要几元，非常便宜。无刷电机技术不成熟，价格较高，应用范围有限，主要应在恒速设备上，比如变频空调、冰箱等，无刷电机损坏只能更换。

6、无刷电机避免了电磁干扰：无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。

7、无刷电机寿命长，维护成本低：少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。

8、无刷电机噪音低，运转顺畅：无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。

3、直流电机在电动汽车上的应用

在电动汽车发展的早期，很多电动汽车都是采用直流电动机方案。主要是看中了直流电机的产品成熟，控制方式容易，调速优良的特点。即使到现在，还有一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。

但由于直流电动机本身的短板非常突出，其自身复杂的机械结构：存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，电机的机械结构会产生损耗，势必要经常维护和更换电刷和换向器。提高了维护成本。

另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。此外，电动机运转时的电刷火花会使转子发热，浪费能量，散热困难，还会造成高频电磁干扰，鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机。

由于直流电动机的缺点非常突出，目前的电动汽车已经将直流电机淘汰。

电动汽车直流电机优点：

①调速性能良好：直流电机具有良好的电磁转矩控制特性，可实现均匀平滑的无级调速，具有较宽的调速范围。

②起动性能好：直流电机具有较大的起动转矩。

③具有较宽的恒功率范围：直流电机恒功率输出范围较宽，可确保电动汽车具有较好的低速起动性能和高速行驶能力。

④价格便宜：直流电机的制造技术和控制技术都比较成熟，其控制装置简单、价格较低，因而整个直流驱动系统的价格较便宜。

⑤控制较为简单：直流电机可采用斩波器实现调速控制，具有控制灵活且高效、质量轻、体积小、响应快等特点。

直流电机的主要缺点：

①效率低：比交流电机的效率低。

②维护工作量大：有刷直流电机工作时电刷和换向器之间会产生换向火花，换向器容易烧蚀。

③质量和体积大：直流电机功率密度低，质量大，体积也大。

④转速低：转速越高，电刷和换向器产生的火花越大，这限制了直流电机转速的提高。

4、交流异步电动机

异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网频率之比不是恒定值。感应电机（Inductionmotor）是一种仅有一套绕组联接电源的异步电机。在不致引起误解和混淆的情况下，一般可称感应电动机为异步电动机。

IEC标准中指出：“感应电机”一词，在许多国家中实际上是作为“异步电机”的同义词使用，而其他一些国家则只使用“异步电机”一词来表示这两种概念。

交流异步电机是目前工业中应用十分广泛的一类电机，其特点是定、转子由硅钢片叠压而成，两端用铝盖封装，定、转子之间没有相互接触的机械部件，结构简单，运行可靠耐用，维修方便。

异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。

以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。

如果采用矢量控制的控制方式，可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围。由于有着效率高、比功率较大、适合于高速运转等优势，交流异步机是目前大功率电动汽车上应用最广的电机。

但在高速运转的情况下电机的转子发热严重，工作时要保证电机冷却，同时异步电机的驱动、控制系统很复杂，电机本体的成本也偏高，另外运行时还需要变频器提供额外的无功功率来建立磁场，故相与永磁电机和开关磁阻电机相比，异步电机的效率和功率密度偏低，不是能效最优化的选择。

为什么特斯拉选择交流异步电机？

感应电动机胜在成本低、可靠性更高，同时稳态的效率也不错（大部分工况85%~90%以上），因而在高速路网发达的工况以及较大的乘用车布置空间的条件下，感应电机可以满足需求。

异步感应电机的转子上没有永磁体，也无需换向器、电刷，具有结构简单、制造方便、可靠性好等优点。但是，异步感应电机由于单边励磁，产生单位转矩需要的电流较多，因此能耗较大，一般而言永磁同步电机比异步电机节能20%以上。

此外，另一个很重要的因素是：永磁同步电机所需要的钕铁硼永磁材料是稀土资源，对于稀土资源缺少或稀土工业不发达的国家而言，车用动力电机的技术方案是与国家安全相关的。

特斯拉采用三相感应电机，即三相交流异步电机，可以通过超高电压及弱磁驱动，实现超转的高转速，同时通过驱动变频器等电机控制系统，可实现电机在Nm的大扭矩运行，由此保证特斯拉电机输出高功率，从而提升特斯拉动力性能，这也是特斯拉为什么钟情于交流异步电机的原因。

Tesla选择感应电机是更可靠（没有退磁风险）、低成本（永磁材料成本占到同步电机材料成本的70%）、高效率的解决方案。至于Tesla是怎么将感应电机做到更加高效，就要看铜芯转子的技术了。

5、永磁同步电机

所谓永磁，是指在制造电机转子时加入永磁体，使电机的性能得到进一步的提升。而所谓同步，则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此，通过控制电机的定子绕组输入电流频率，电动汽车的车速将最终被控制。

永磁同步电机在转子上嵌入永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项就可以提高电机效率4%~50%。

同时，由于在永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1。永磁同步电机在负载率20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率80%。

与其他类型的电机相比较，永磁同步电机的最大优点就是相比于其他种类的电机，在相同质量与体积下，永磁同步电机能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度。这也是在对空间与自重要求极高的新能源汽车行业，车企选择永磁同步电机主要原因。

永磁同步电机的功率因数大,效率高,功率密度大,是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变,导致电机弱磁困难,调速特性不如直流电机。

转子上的永磁材料在高温、震动和过流的条件下，会产生磁性衰退的现象，所以在相对复杂的工作条件下，电机容易发生损坏。

而且永磁材料价格较高，因此整个电机及其控制系统成本较高。目前,永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善,还有许多问题需要进一步研究。

永磁同步电机优点：

本身的功率效率高以及功率因数高

允许的过载电流大，可靠性显著提高

发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小

系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护

整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大

由于没有齿轮箱，可对转向架系统随意设计：如柔式转向架、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。

永磁同步电机缺点：存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差，高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等。

永磁式电动机的控制系统相比于交流异步电机的控制系统来说更加简单。但是由于受到永磁材料本身的限制，在高温、震动和过流的条件下，转子的永磁体会产生退磁现象，所以在相对复杂的工作条件下，永磁式电机容易发生损坏，故这一块还有待继续发展改善。

而且永磁材料价格较高，因此整个电机及其控制系统成本较高，目前只有稀土资源丰富的中国比较倾向于使用永磁电机的电动汽车驱动方案。

像日本、欧洲，要么是使用轻稀土的永磁材料做永磁电机，要么是直接改用无需稀土材料，但对控制器设计要求更高的开关磁阻电机。

6、开关磁阻电机

开关磁阻电机转子上没有绕组和永磁体，其结构是四种电机中最坚固的，而且这样的结构使得电机制造简单、成本低、散热特性较好。

相对于直流电机和交流电机，开关磁阻电机具有更高的效率，而且可以在较宽的功率和转速范围内高效率运行，这种特性十分符合电动汽车驱动的要求。

开关磁阻电机调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。

起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。

在变频调速和伺服应用方面，电动车开关磁阻电机具有一些独特的功能，这使其成为直流电机和交流电机最大的竞争者。

由于没有永磁体和转子绕组，电动车开关磁阻电机的结构简单。电机的损耗大多发生在定子上，定子更易冷却。由于高自感不会瞬间产生大电流，开关磁阻电机的起动转矩较高。开关磁阻电机的另外一个优点是其转子耐高温。

主要优点如下：

电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速，能适用于各种恶劣、高温其至强振动环境。

损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，允许有较高的温升。

转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。

功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。

起动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象。

调速范围宽，控制灵活，易于实现各种待殊要求的转矩速度特性。

在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。

能四象限运行，具有较强的再生制动能力。

主要的不足有：

1、转矩脉动。从工作原理可知，开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是恒定转矩，而有一定的谐波分量，影响了电动机低速运行性能。

2、由于外加电压的阶跃性变化，使得定子电流、电机径向力变化率突变，使得开关磁阻电机工作时产生较大的脉动，再加上其结构和各项工作时的不对称，导致开关磁阻电机工作时产生较大的噪声和振动，传动系统的噪声与震动比一般电动机大。

3、电动机的出线头较多，如三相SR电动机至少有四根出线头，四相SR电动机至少有五根出线头，而且还有位置检测器出线端。对于整体的线路布局有影响。

4、主控制部分比较复杂，目前均使用dsp控制，而且需要编程，开发前期成本较高，从而严重制约其推广，一定程度上提升了整体成本。

但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。

像目前日本对开关磁阻电机的研究比较深入，日本电产的开关磁阻电机也广泛应用于电动汽车、家电等各类行业中。目前中国国内也渐渐有厂家

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