电动汽车电机及传动系统的神奇工作原理

自 19 世纪末以来，内燃机（ICE）一直是多种交通方式的主要动力来源，大多数人至少对发动机的工作原理有一定的了解：燃料和空气进入，能量输出。显然，这种合成的实际过程比这八个字的描述要复杂得多，但总体概念相对简单。

内燃机为汽车世界服务得很好，使人类能够相对轻松、不费太多周折地长途跋涉。然而，汽车内燃机正在走向消亡，取代它走向灭绝的是另一种早于燃烧化石燃料的汽车推进形式。

电动汽车自 19 世纪 30 年代就已经存在，在 20 世纪初颇受欢迎，但后来输给了内燃机汽车，因为电动汽车生产成本高昂，而且电动启动器的发明使燃气动力汽车的操作更加容易。然而，现代技术改进了电动传动系统的设计，从更好的电池技术到更高效的电动机，这使得电动汽车大规模回归。

与内燃机汽车不同，电动汽车没有发动机。相反，它们使用大型可充电电池组，将电流传输到电动机，电动机将能量转化为旋转运动。电动机是电动汽车最接近发动机的东西，它们有多种形式；然而，它们都依赖于旋转磁场（RMF）来旋转内部转子，然后通过变速器和差速器将扭矩传递到车轮。

电动汽车电机可以说是电动传动系统中最关键的部分，因为它们负责将电池组的电流转化为旋转运动。为此，它们利用了磁性的特性。想象一根杆，杆的中心穿过磁铁，并安装在可以自由旋转的轴上。然后想象在安装在轴上的磁铁附近放置另一组磁铁，每组的北极相互面对。

由于两组的北极相互排斥，轴上的磁铁会做圆周运动，而轴另一侧的磁铁的南极被固定磁铁的北极吸引。此时，由于相反的磁极锁定在磁引力中，旋转将停止。

通过使用电磁铁，即利用电流产生电磁场，可以交替改变一组磁铁的极性，使旋转不断重复。虽然在实际中更加多样化，但这是所有电动汽车电机所使用的基本原理。

因此，根据前面的解释，电动汽车电机由两个主要部件组成——转子和定子。转子是电机的旋转元件，上面安装有磁铁或电磁铁。围绕转子的是定子，它是一个固定的外壳，包围着转子，并具有自己安装的磁铁或电磁铁。通过使用电池组的电流改变转子或定子上电磁铁的极性，磁性使转子持续旋转，产生旋转运动。

虽然所有电动汽车电机都基于相同的总体原理运行，即利用旋转磁场使转子旋转，但制造商们采用了不同的设计来实现相同的目标。电动汽车电机分为两类——同步电机和异步电机。在同步电动汽车电机中，转子的转速与定子产生的旋转磁场相同。在同步设计中，有永磁电机和电流励磁电机。异步电机的特点是转子滞后于定子产生的旋转磁场。感应电机属于异步电机类别。

属于同步电机范畴的永磁电机，不出所料地使用装有永磁体的转子。由于转子使用永磁体，它具有固有的磁场，与定子产生的旋转磁场相互作用，使转子与定子的旋转磁场同步旋转。永磁电机有多种类型，包括使用外部电机控制器调节直流电流的电机（无刷直流电机）和使用交流电流的电机（永磁同步电机）。

有刷电流励磁交流同步电机是一种较新的电动汽车电机形式，其工作方式几乎与永磁电机相同，但使用电刷和换向器为转子上的铜绕组通电。就像永磁电机一样，通电的绕组会产生电磁场，与定子的旋转磁场相互作用，使转子旋转。

同步电机的优点是在低速时提供大量扭矩，同时具有高功率密度。然而，它们在高速时会受到“反电动势”的影响，转子的磁体产生阻力、产生热量并限制了最大功率。它们还需要强大的永磁体，而这些永磁体由稀土元素制成，其来源越来越困难。

交流感应电机属于异步电机，它在转子上用导电金属段（通常是铜或铝）取代了永磁体。当定子接收交流电流并产生旋转磁力时，旋转磁场的磁力线会在转子的导电元件中感应出电流。这就在定子自身的旋转磁场内产生了一个旋转电磁场，从而使转子旋转。由于转子的电磁场只有在定子的旋转磁场经过转子的导电材料后才产生，所以转子总是试图跟上，这使其成为异步的。

交流感应电机的速度通过改变提供给定子的交流电流的频率来控制，并且在不需要加速时也可以断电。这避免了永磁电机面临的反电动势问题，提高了效率。

交流感应电机的一个主要缺点是与永磁电机相比，其低速扭矩不足。然而，由于它们使用电磁体和相对常见的导电金属，它们的运行不依赖稀土材料。由于其构造成本低廉且效率可观，交流感应电机在不少电动汽车中很常见，包括具有全轮驱动的特斯拉传动系统。

与构成内燃机的复杂而精细的系统组合相比，电动传动系统运行所需的部件更少。平均而言，内燃机需要大约 200 个部件才能有效地将空气和燃料转化为旋转能量。相比之下，电动传动系统仅包含约 17 个部件。虽然电动汽车动力系统看起来不如汽油发动机复杂，但将充电站的电力转化为车辆运动需要很多环节。

电动汽车具有牵引电池组，负责存储在充电站或电源处所收集的能量。 3 级快速充电器输出的是高压直流电，而 1 级和 2 级充电器使用墙壁插座输出交流电。像所有电池一样，牵引电池组只能容纳和传导直流电，这就是为什么需要车载充电器和其他电力电子设备将输入的交流电转换为直流电以供电池存储。一旦电池充满电，电流会再次通过逆变器转换为交流电，然后被发送到电动机。

然后，电动机将来自牵引电池的电力转换为旋转运动。电动机产生扭矩后，经由为电动传动系统设计的变速器发送到差速器，差速器将其分配至车轮之间。

值得注意的是，在减速期间，当电池未向电动机供电时，电动机也充当发电机。当您的脚未踩在油门上时，车轮的旋转使转子旋转，产生反向旋转磁场，并通过交流-直流转换器为电池充电提供电力。