內燃機在傳統汽車中出現，因為主要牽引元件消失了，取而代之的是新的解決方案，電動機和電池處于場景的中心。這要歸功于電池技術的發展，該技術允許創建能夠以較低成本為合理自主提供能量的系統。此外，內燃機無疑是產生CO2的原因之一。

• 電動機：它是什么以及它是如何工作的
• 發動機和動力總成：含義
• 不同類型的電動機
• 電機分類
  • 直流電機
  • 無刷直流電機
  • 步進電機
• 駕駛技術
  • 1 相開（或波驅動）
  • 2 相開啟（或全步）
  • 半步
  • 微步
• 步進電機的種類、結構、工作原理及特點
  • 永磁體
  • 可變磁阻
• 雜交種
  • 混合動力馬達
  • 工作原理
  • 簡單來說

電動機：它是什么以及它是如何工作的

與電池一起，電動機是將電能轉換為機械能以進行運動的系統的一部分。我們當然可以說它代表了汽車或電動汽車的心臟。然而，有不同類型的電動機用于此目的。那么發動機應該是怎樣的呢？哪些功能使其更好或更適合電動汽車應用？

電動機必須：

• 能夠從零速開始產生顯著的扭矩；
• 確保顯著的峰值功率具有與傳統汽車相媲美的性能；
• 具有盡可能簡單的先導系統和電動機控制；
• 輕巧緊湊；
• 成本有限；
• 具有高效率水平；
• 在使車輛減速的同時充當發電機。

綜上所述，理想的牽引應用發動機必須具備高啟動扭矩、高功率密度、高能效等優良特性。基于特定技術，不同類型的引擎提供不同程度的功能。

發動機和動力總成：含義

但是讓我們簡要地澄清一下。什么是發動機，什么是動力總成？動力總成是什么意思？在汽車和運輸應用中（圖 1），發動機需要一系列組件來產生動力并將動力傳遞給車輛的移動方式（例如道路，但也包括空氣或水）。因此，我們所說的動力總成是指發動機、其部件（電源、冷卻系統、點火裝置、電池等）和變速器。

我們隨后將只關注發動機，如前所述，它代表了電動汽車的跳動心臟。

不同類型的電動機

在我們可以找到的電動機類型中：

• 直流電機（DC電機）；
• 直流無刷電機（DC或BLDC電機）；
• 永磁同步電機或PMSM同步電機；
• 三相感應電動機——三相電動機；
• 開關磁阻電機或 SRM 電機。

電機分類

直流電機

直流電機（見圖 2）應按順序提及，因為它們是上個世紀上半葉廣泛用于牽引應用的第一批電機。它們具有積極的方面：啟動時的高扭矩、支持負載突然增加的能力、簡單的速度控制、簡單的結構和低成本。但是有一個很大的缺點：需要在旋轉部件上安裝電觸點，即電刷，以允許切換轉子繞組上的極性。

由于這些原因，它們被稱為有刷電機，因此，由于碳刷的消耗，它們需要經常維護。這實際上使它們退出了這些類型的應用程序的市場。

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無刷直流電機

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

對于這些特性，它們是應用中的首選電機類型，電動自行車和中功率兩輪，其中緊湊性因素是基礎。

在有刷電機中，后者通過換向器將電流傳送到位于轉子上的繞組，該換向器執行適當的引導功能。在 BLDC 電機中，繞組不在轉子上，而是在定子上，即固定部分，而包含永磁體的是轉子。

由于繞組是靜態的，因此不需要電刷和旋轉開關的組合。

在有刷電機中，通過控制構成轉子的繞組產生的磁場來實現旋轉，而構成定子的產生的磁體是固定的。

要改變轉速，您需要改變繞組中的電壓或電流，從而改變轉子中產生的磁場強度。

在 BLDC 電機中，永磁體移動，并且通過移動由固定定子繞組產生的磁場來獲得旋轉。

圖 3 顯示了 BLDC 電機的典型結構：定子上的三個繞組，通常有一個通過端子的點。同一圖顯示了典型的驅動電路，其中突出顯示了組件，在這種情況下，我們可以看到充當開關的晶體管。

一方面，它們將 BLDC 端子連接到直流電壓的正極，而另一方面，它們仍然連接到電源的負極。在所示的序列中，磁場通過拖動轉子的永磁結構來追逐它，從而完成一個完整的旋轉。所示的每個階段都必須出現在轉子的精確位置，以獲得最大扭矩。為此，一個信號顯示了先導電路和轉子的位置，以激活正確的相位。圖 3 中的圖表指示霍爾傳感器作為負責此功能的單元，但其他解決方案也是可能的，例如光學編碼器或稱為旋轉變壓器的單元。

BLDC 電機，尤其是在牽引領域，有兩種形式：內轉子（內轉子）或外轉子（外轉子）。在第一種情況下，該實施例類似于圖 3 中概述的形狀，它需要一個外部傳動系統來將動力傳遞到車輪，因此會占用更多的車內空間。

這些仍然與外部轉子版本（外轉子）形成對比，轉子和定子交換位置。帶有勵磁繞組的定子在內部，但是帶有永磁體的轉子在外部旋轉，從而使輪子可以直接安裝在外部轉子上，從而節省了傳遞運動所需的機械零件.

步進電機

步進電機是直流無刷電機系列的一部分，在需要運動精度和可重復性的中小功率領域占據主導地位。它們也易于使用并且在制造商中廣泛使用。

步進電機是無刷直流電機系列的一部分。它們沒有執行改變轉子繞組中電流方向的功能的電刷。另一方面，在這些電機中，所有繞組都是定子的一部分，而轉子是通過適當組裝永磁體制成的。

只有在不廣泛使用的可變磁阻電機的情況下，轉子才代替了導磁材料。作為無刷電機，所有的開關操作都必須通過合適的外部控制電路進行。

它們的角分辨率范圍很廣：從每一步旋轉 90° 的粗略，到通常能夠 1.8° 相位或每轉 200 步的分辨率的永磁電機的堅固性，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電機的簡化結構。定子有四個磁極，繞組立在其上。當電流通過時，它會產生一個磁場，使轉子的永磁體與其對齊

通過依次移動不同繞組的通電，旋轉磁場共存以拖動轉子。步進電機符號源自這種結構：一個圓圈代表轉子，兩個相互垂直的電感代表繞組，在圖 4 的理想化中，它們實際上是相互正交的。

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，因為需要通過反轉施加的極性來驅動繞組以改變磁場的方向。

“6 線”配置是最常見的，即位于一對相對磁極上的兩半繞組之間的連接。在這種情況下，通過將繞組的一端交替接地來實現磁場的反轉。

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

駕駛技術

驅動電機繞組有四種不同的可能方式：

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

1 階段（或波驅動）

在下圖中（見圖 6），使用了兩相步進電機的簡化結構，使工作原理更易于理解。轉子（綠色箭頭表示北極）是一個兩極磁鐵。在定子中，四 (4) 個磁極交替顯示為綠色，以指示相關繞組產生磁化，將磁南側轉向轉子（以拉動轉子的磁北）。

在這種類型的引導中，一次僅在一個序列中存在一個階段。當 A 相升壓時，轉子保持與其對齊。當 A 相關閉時，B 相被激活，轉子旋轉 90°，如圖 5 中的步驟 2 所示。因此，需要四 (4) 個步驟才能完成一圈。對于分辨率為 200 步/轉 (1.8 = (360° / 50) / 4) 的步進電機，這相當于旋轉 1.8°。

2 相開啟（或全步）

總是有兩個（相鄰）階段活動檢查圖 6（右）。在存在兩相同時活躍的情況下，轉子受到兩個吸引力。在圖 5 的情況下，功率是在中午，而具有相同強度的第二個是在與第一個正交的方向上。這兩個矢量的和產生一個 45° 的結果，其值為單相產生的磁場的 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，因為??兩個繞組同時被激活。如果管理不當，可能會導致發動機過熱。

半步（或階段 1 和 2 ON）

在這種情況下，將前兩種方法結合起來，首先單獨激活一個階段，然后同時觸發這兩個階段。在這種情況下，每一步對應一個 45° 的旋轉，是前兩種情況的一半（因此得名“半步”）。因此需要八個階段來完成一個旋轉。

微步

從半步驅動開始，您可以進行角度分辨率甚至變化的驅動，即具有更包含值的步。如果我們考慮控制兩個有源繞組中的電流，從而控制磁場強度，我們可以確保兩個磁場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，轉子與 A 相對齊。隨著 A 相電流減小并同時 B 相電流增加，轉子將向 B 相移動其定位。A 和 B達到最大電流時對齊，而 A 相已達到零。

一些集成電路制造商提供的組件能夠使用微步進技術驅動步進電機，因此能夠提供電流。μsteps / step 的數量通常可編程為 1（全步）、2（半步）、4、8（但也高達 256）。

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

步進電機的類型、結構、操作和特性

步進電機按結構分為三種：

• 永磁步進電機；
• 可變磁阻步進電機；
• 混合式步進電機。

永磁步進電機

它們由轉子組成，轉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子的軸線。定子帶有繞組，繞組依次被驅動以拖動轉子。

最常用于此類電機的機械結構稱為“可堆疊”，其定子形狀如圖 7 所示。

電機只有兩個繞組，兩相各有 20 個極。每 360° / 20 = 18° 一個極點，代表步距角。繞組的每一相都與一個環形低碳鋼鎧裝共存——在內環上，有 20 個與電機軸方向相同的定子磁極。這些定子磁極呈爪形（因此也稱為“爪形步進電機”），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。每個爪或齒，當它是活動相的一部分時，顯示出一個磁極，與相鄰的相反極交替。這種南北齒交替吸引永轉子磁鐵。第二個定子具有相同的結構，但與第一個定子相比，相位相差半個俯仰角或九度。

可變磁阻步進電機

這些類型的特點是它們在轉子或定子中沒有永磁體，并且它們的結構是有史以來最簡單的。您可以在圖 8 中看到這一點，它代表了一個三相 RV 步進器，

定子由模制硅鋼片制成，定子極數為偶數或奇數（通常為偶數）。每個定子極帶有一個勵磁繞組。如果磁極均勻記錄，則相反磁極的曲折串聯起來，使磁場加強，兩者結合為電動機的一相。

轉子由壓制的硅鋼板組成，這些鋼板向齒或磁極的外側突出，不帶繞組。這些極數必須與定子極數不同，才能啟動電機并觸發雙向旋轉。

有多個堆疊電機，它們被視為具有相同軸的不同 RV 電機，以增加角分辨率。最常見的配置有三個單元，數量也可以達到七個。假設 m 是單元數，則每個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子磁極并保持定子磁極對齊，則情況相同

RV 步進器提供的一個優勢是成本相對較低，這通常會受到低水平扭矩的影響。

雜交種

混合動力馬達

混合電機結合了永磁步進電機的優點和可變磁阻的優點。混合版本的結構比前兩種類型復雜得多。

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

齒數決定步進電機的步數。在一個完整的旋轉中，所有的轉子齒將匹配相同的定子極。因此，每轉的步數是兩個轉子杯中的齒的典型值，這是一個四相電機導致一些步數。

對于高分辨率，即小步距角，但相位數量有限，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”。在規則節距的情況下，連續相的磁極必須具有每個定子磁極可以包含的最大齒數。

工作原理

15齒轉子有一段在永磁體的南極（圖中藍色部分）和另一部分在北側（紅色側），偏移半步。通過偏移，轉子具有 30 個相反極性的交錯磁極。這個相同的偏移允許在相位的極性反轉時旋轉 1/30 的轉角。四 (4) 個極的定子齒對應于 15 個轉子齒。除了在定子之間的空間中的齒。因此，轉子的一極，例如南極，可以在 15 個不同的位置與定子對齊。與另一端的轉子齒相比，南極上的轉子齒偏移了半步。因此，轉子可以在 30 個不同的位置與定子對齊。

如果我們現在查看定子的主極，定子相位是四分之一 (?) 齒異相。結果是，當分段一個接一個地加強時，轉子以 1/4 齒步長移動。換句話說，要完成一圈旋轉，轉子必須從 ? 前進 2 x 30 = 60 步。

以下注釋說明了隨后激活兩個電機相位所產生的四分之一 (?) 齒旋轉。

簡單來說：

• 它們可以達到非常小的步距角，而不需要大量的相位。
• 出色的動態性能
• 由于磁化和磁阻的結合產生了出色的扭矩

　　審核編輯：湯梓紅