7000字搞懂「电动机」是如何驱动汽车的？

相比传统的「燃油车」，对「纯电汽车」而言最为突出的变化就是所谓的「三电」：「电动机」、「电池组」和「电控系统」。今天我就用一篇长文带大家彻底搞懂「纯电汽车」的「电动机」。

友情提示：全文7000余字，40余张图片，撰写耗时35个工作日，快速阅读15分钟，认真阅读超30分钟，建议先点赞、打赏和收藏，有空慢慢研读哦~

本文目录

1. 由「上下运动」转为「旋转运动」

2. 「电动机」的基本原理

3. 两类常用的「电动机」

4. 已被『封神』的尼古拉·特斯拉

5. 「交流电动机」的基本构成

6. 「异步交流电动机」的工作原理

7. 「三相异步交流电动机」的工作原理

8. 「交流电动机」的特点

9. 「同步电动机」的基本构造

10. 「永磁同步电动机」的工作原理

11. 「永磁同步电动机」的特点

12. 暂告一段落

由「上下运动」转为「旋转运动」

记得几年前，还有不少的自媒体会将「燃油汽车」与「电动汽车」作对比，比如在零百加速、最大功率和最大扭矩等方面，以此突显「电动汽车」可以秒杀「燃油汽车」……

特斯拉（双电动机）vs法拉利（V8架构发动机）（数据源自汽车之家）

对于自媒体这种『略耍流氓』的对比行为，现在看来还有几分怀念。但随着大家对两类汽车「驱动系统」的逐步了解，大家也渐渐体会到两者各有优劣。相信驾驶过非40万元以上「纯电汽车」的车主，都会有这样的感觉：

论起步，20万元左右的「电动汽车」（以「电动机」起步）可以称霸一时；但论60km/h~100km/h的中后段加速，「电动汽车」似乎就开始『软』了。

「燃油汽车」的「四冲程」发动机工作原理

大部分「燃油汽车」的「发动机」是通过在「气缸」中点燃汽油产生热（爆炸），推动「活塞」做「四冲程」的上下运动，又通过「曲柄连杆」转换为旋转运动，形成驱动汽车的动力。换言之，「发动机」与古老的「蒸汽机」一样，将热能转换成机械能。

燃油发动机转速（RPM）与使用效率（EFFICIENCY）的关系

其结构的优缺点，相信大部分略懂汽车的朋友都能道出几点。而其中让工程师最头疼的缺陷在于：「发动机」仅在有限的「转速」范围内，才可以产生可用的「扭矩」和「功率」。也就是说，如果汽车只有一个档位（只有手动挡的一档），那么无论你怎么踩油门，让「发动机」如何疯转，汽车在达到一定的速度后（一般不会超过20km/h），都不会再提速了。

占用发动机舱大量空间的各类变速箱

这一点就带来很多后续的麻烦：

1. 必须将「发动机」保持在最佳「转速」范围内；

2. 故此必须配备一个变速装置，来调节「发动机」输出的动力；

3. 「发动机」在能源使用「效率」上很低（小于42%）……

通用汽车交流异步电动机构造

而反观「电动汽车」的「电动机」，仿佛一切都简单了，因为：

1. 我们不必再担心「发动机」在做「上下运动」转换为「旋转运动」白白浪费能量。因为「电动机」的「转子」本来就做「旋转运动」；

2. 我们不必再担心能源使用「效率」。因为「电动机」在任何转速下，都能保持90%左右的能源使用「效率」；

3. 我们不必再担心……

但在我们详解「电动机」的优势前，还是有必要先了解一下「电动机」的原理。

「电动机」的基本原理

为了清晰地说明「电动机」的原理，我们先从一个小小的实验开始：

先来看几个小图示，我们将一根电线看做一个桶，而在桶中流动的「电流」比作一支弓箭，当「电流」的方向穿入纸面时，我们看到的是箭尾的羽毛划出的『十字』；反之，当「电流」的方向穿出纸面时，我们看到的是箭头，即是一个点。

这是一张最简单的（带电「线圈」）电路图，其中有我们实验需要使用的一根「导线」，还要一个「电源」（此处为一节干电池）。当我们从截面观察「导线」两侧时，「电流」的方向分别是箭头（左侧）和箭尾（右侧）。同时也要注意上图中「线圈」两侧的颜色，左侧的为蓝色，右侧的为红色。

当我们将这个「线圈」放入一个由两块吸铁石（「永磁体」）所构成的「磁场」中，于是有趣的事情发生了，根据「左手定理」：张开左手，让「磁感线」穿入手心，四指指向「电流」方向 ，那么大拇指的方向就是「线圈」两侧的受力方向。在上图中「线圈」左侧向上，右侧向下。在这种作用力下，「线圈」就开始『旋转』。

然而，「线圈」只能旋转90°，因为当「线圈」的两侧垂直于「磁场」时，由于力的方向仍然没变，「线圈」就『卡当』了，无法使其继续旋转。而有一种简单的办法让「线圈」保持旋转——在「线圈」的两侧垂直于「磁场」的瞬间断开「电源」！让「线圈」在「惯性」的作用下继续旋转90°。

当「线圈」从起始位置旋转180°后，我们需要改变「电流」的方向，让「线圈」继续旋转90°，接下来再断开「电源」让它走完最后的90°，这样「线圈」就完成一次360°的旋转。当你看懂了以上几张图，恭喜你，你已经了解「电动机」最基本的原理。

「直流电动机」工作原理（简图）

实验中我们使用了干电池，即以「直流电」作为供电电源，所以这类「电动机」被称为「直流电动机」。此外，为保持我们「线圈」旋转，我们需要转换「电流」的方向，『笨办法』是将干电池换个方向，但实际应用中，可以使用一种叫「转向器」的组件来完成。最后，实验所用的吸铁石充当着「直流电动机」中「定子」的角色，而旋转在「定子」中的「线圈」则被称为「转子」。

两类常用的「电动机」

「电动机」种类繁多，我们谈及的是作为驱动「电动汽车」的「电动机」。首先按工作电源不同，电动机可以分为「直流电动机」和「交流电动机」两大类。

「交流电动机」又可以按「转子」与「定子磁场」的转速是否相同，分为「同步交流电动机」和「异步交流电动机」两大类。「同步交流电动机」又可分为「永磁同步交流电动机」和「励磁同步交流电动机」；而「异步交流电动机」又分为「三相异步交流电动机」和「单相异步交流电动机」两种。

常见电动汽车 「（驱动）电动机」分类简述

目前的家用「电动汽车」大多数采用「交流电动机」，并以「三相异步交流电动机」和「永磁同步交流电动机」两类为主。或许你看到这里会有点晕，我们以「三相异步交流电动机」为例，先做一个『名词解释』：

「三相异步交流电动机」的名词解释

已被『封神』的尼古拉·特斯拉

当我们谈及「交流电动机」那就不得不提一下这位已被『封神』的尼古拉·特斯拉。

1882年的一天，特斯拉在与朋友郊外散步时，头脑中构思出一种全新的「交流电动机」模型：它完全不用「电刷」和「整流子」，「转子」不接电路而是悬空转动，使用「交流电」，无需整流，无火花，相比原来的「直流电动机」要安全得多。因为它是根据「电磁感应原理」制成，所以又称「感应电动机」（即是「交流电动机」）。

尼古拉·特斯拉关于「交流电动机」的『专利申请图』

1884年，特斯拉带着一封推荐信和他的设计图移居美国，并在「新泽西爱迪生工厂」寻求职位。特斯拉向爱迪生呈现他的「交流电动机」发明时，爱迪生因担心这会影响他公司「直流电」和「直流电动机」的发展，便拒绝了特斯拉的「交流电动机」计划。

尼古拉·特斯拉的「交流电动机」（「感应电机」）原型（源自维基百科）

「交流电动机」的基本构成

从尼古拉·特斯拉的『专利申请图』中，我们已经看到「交流电动机」的基本结构：「交流电动机」主要有两大部件：「定子」和「转子」。

特斯拉汽车「异步交流电动机」总成及其「定子」拆解（源自网络）

· 「定子」：最外面的圆筒，圆筒内侧缠有很多「绕组」，这些「绕组」与外部交流电源接通，由于整个圆筒与「机座」连接在一起，固定不动，因此称为「定子」 。

特斯拉汽车的「异步交流电动机」的「转子」专利（US20130069476A1）

· 「转子」：在「定子」的内部便是「转子」，其要么是一个缠绕着很多导线的圆柱体（即「绕线式转子」），要么是笼形结构的圆柱体（即「笼式转子」，如上图特斯拉）。由于「转子」不被固定，而是与「动力输出轴」连接在一起旋转，因此又称为「转子」。

「转子」与「定子」的结构示意图

· 「转子」与「定子」：两者之间没有任何连接和接触（此间隙被称为「气隙」，通常为0.2~1mm），并以『套筒』的结构相互套住。当「定子绕组」接通交流电源时，「转子」就会旋转并输出动力。

「异步交流电动机」的工作原理

简单地来说其原理就是：通电「绕组」在旋转磁场里转动。以特斯拉汽车也在使用的「异步交流电动机」（即「异步感应电动机」）为例来解释。

特斯拉Roadster（2008）采用「异步交流电动机」

或许你会问：『「电动机」中的「定子」和「转子」并不接触，为什么给「定子」的「绕组」通上「交流电」后，「转子」就会旋转呢？』其工作原理应用到两大「电磁学定律」：「法拉第定律」和「楞次定律」。而其工作逻辑请见下流程图：

「交流异步电动机」工作原理逻辑

STEP 1. 当「定子」上缠绕的「绕组」通上「交流电」后，由于「交流电」的特性，「定子绕组」就会产生一个旋转的「电磁场」；

STEP 2. 「转子绕组」是一个「闭环导体」，它处在「定子」的旋转磁场中就相当于在不停地切割定子的「磁感应线」；

STEP 3. 根据「法拉第定律」，闭合导体的一部分在磁场里做切割磁感应线的运动时，导体中就会产生「电流」，而这个「电流」又会形成一个「电磁场」；

STEP 4. 此时，我们就有了两个「电磁场」：一个是接通外部交流电后而产生的「定子电磁场」；另一个是因切割「定子」的电磁感应线而产生电流后形成的「转子电磁场」；

STEP 5. 根据「楞次定律」：『「感应电流」的磁场总要反抗引起「感应电流」的原因（「转子绕组」切割「定子电磁场」的「磁感应线」）』 ，也就是尽力使「转子」上的导体不再切割定子磁场的「磁感应线」；

STEP 6. 结果就是：「转子绕组」就会不停『追赶』着「定子」的旋转电磁场，即是『使「转子」跟着「定子」旋转电磁场旋转』，最终使「电动机」开始旋转。

「交流异步电动机」工作原理（动图）

「交流异步电动机」工作原理（图解）

在整个工作流程中，我们会发现一个有趣的现象：由于「定子」需通电后才能产生旋转的磁场，此磁场使「转子」发生「电磁感应」从而旋转，所以「转子」的转速与「定子磁场」的转速不同步（转速差约为2%~5% ）。故此我们称其为「异步交流电动机」。反之，如果两者的转速相同，我们就称其为「同步交流电动机」。

「三相异步交流电动机」的工作原理

在工业领域使用最为广泛的「异步交流电动机」是「三相异步交流电动机」，而在「电动汽车」领域，特斯拉汽车和蔚来汽车则是使用此类「电动机」的代表。

「三相异步交流电动机」的工作原理（动图）

「三相定子绕组」电路图

「三相异步交流电动机」在构造上的特别之处在于，「定子绕组」是一个空间位置对称的「三相绕组」，如上图所示，每个「相位」在空间的位置彼此相差120°。当把「三相绕组」接成星形，并接通「交流电」后，那么在「定子」中便产生三个对称电流（「三相电流」）。

「三相交流电动机」内部「定子磁场」对「转子」的影响（动图）

「三相电流」形成旋转的「磁场矢量」会叠加，并对「转子」产生影响，使得「转子」能更快速的旋转（相比「单相异步交流电动机」），其转速可达到12000~15000r/min，从而驱动「电动汽车」。

蔚来的「异步交流电动机」

举两个例子：特斯拉Model X高性能版后驱为单电动机，最大功率达到375kW，最大扭矩达到了650N·m，堪称恐怖。此外，蔚来ES 8 425KM的单电动机，最大功率也可达到240kW，最大扭矩达到了420N·m，凭借「异步交流电动机」的性能，使得整车备重超过2.4吨的汽车，百公里加速任然能保持在5秒以内。（数据源自《汽车之家》数据库）

「交流电动机」的特点

至此，我们基本将「交流电动机」的基本结构和工作原理简单地解释完了，最后我们简单地来谈谈「交流电动机」的特点。

结构简单的「交流电动机」（动图）（源自网络）

先说其优点，我们从上面的结构和工作原理介绍中就可以看出：

1. 结构简单，重量相对较轻，体积相对较小；

2. 运行可靠，经久耐用；

3. 电动机本体制造成本较低且维修简单方便。

特斯拉Model X 及其电驱控制系统

但万事都有两面性，别看「交流电动机」的主要部件不多，但其「电控系统」非常复杂，制造成本较高，高到什么程度呢？

「同步电动机」的基本构造

此前，我们提到在「异步交流电动机」中，使「转子」转动的重要原理是：

Step 1. 「定子」旋转磁场先在「转子绕组」中感应出「电流」；

Step 2. 「感应电流」再产生「转子磁场」，带动「转子」旋转。

「交流异步电动机」工作原理逻辑

在楞次定律的作用下，「转子」跟随「定子」的旋转磁场转动，这造成了两者转速不同步，因此才称其为「异步电动机」。

若是将「转子」的「绕组」换为磁铁（永磁体）会如何呢？

但如果「转子绕组」中的「电流」不是由「定子」旋转磁场所感应产生，而是自己产生，即「转子磁场」与「定子旋转磁场」无关，而且其磁极方向是固定的，那么根据同性相斥、异性相吸的原理，定子的旋转磁场就会拉动转子旋转，并且使转子磁场及转子与定子旋转磁场『同步』旋转。这就是「同步电动机」的基本工作思路。

「永磁同步电动机」基本结构和原理

根据转子自生磁场产生方式的不同，又可以将「同步电动机」分为两种：

1. 将「转子绕组」通上外接「直流电」（即「励磁电流」）然后由「励磁电流」产生「转子磁场」，进而使「转子」与「定子」的磁场同步旋转。这种由「励磁电流」产生「转子磁场」的「同步电动机」称为「励磁同步电动机」（此处不展开，有兴趣的朋友可以深究一下）；

奥迪Q7 e-tron 3.0 TDI Quattro的「永磁同步交流电动机」构造图（源自官网）

2. 干脆在「转子」上嵌上「永久磁体」，直接产生「磁场」，省去「励磁电流」或「感应电流」的环节。这种由「永久磁体」产生「转子磁场」的「同步电动机」，就称为「永磁同步电动机」。

「永磁同步电动机」的工作原理

接下来我们仔细来看一下「永磁同步电动机」的工作原理，如图所示，外圈（灰色区域）为「定子」，「定子」内部间隔绕制着三组六匝的「绕组」（红、绿和蓝），对角线为相同组。而中间加入一块条形磁铁，即是「转子」，条形磁铁中心位置连接着「输出轴」，最终将动力传输到「轮胎」。

当给第一组「定子绕组」（比如绿色）通上「交流电」后，在垂直角度就产生类似条形磁铁的磁场。此时，「定子」的磁场与「转子」的磁体磁场产生互斥和相吸的影响，「转子」就开始旋转。依次或同时给三组「绕组」通电，整个「定子」内部的磁场不停发生变化，「转子」便不停地旋转起来。

当然，在现实生活中，我们不会用一块条形磁体作为「转子」，而是将「永磁体」制作成类环型，使得「转子」受到更强的「定子磁场」影响，旋转起来也就更加的稳定。

「永磁同步电动机」基本工作逻辑

通过上图我们清楚地看到「永磁同步电动机」基本工作逻辑，相比「异步电动机」由于「转子」自带磁性，当「定子绕组」通电后，「转子」立即受力，这就使得「定子磁场」与「转子」两者的转速达到了同步。

「三相永磁同步电机」工作原理简图（动图）

当然，我们也不能忘记，只要是「电动机」，对于「励磁绕组」（定子部分）的控制都是关键，每组「绕组」的「通断」都需要通过「转子位置传感器」和「开关控制」等系统进行控制，绝非是简单的『你通我断』那么简单，而是一个比较复杂的「通断」规则，这就是后面的内容了。

特斯拉Model 3上使用的「永磁同步电动机」

「永磁同步电动机」的特点

先来说「永磁同步电动机」的优点：具有较高的功率和质量比，体积更小，质量更轻，比其他类型电动机的输出转矩更大，其极限转速和制动性能也比较优异，因此「永磁同步电动机」已成为现今电动汽车应用最多的电动机。

通用汽车所使用的「永磁同步电动机」构造图

但「永磁电动机」的性能优劣与永磁材料密切相关。目前用在「永磁电动机」上的永磁材料有「铁氧体」、「铝镍钻」、「钐钴」、「钕铁硼」等几种。

1. 「铁氧体」：价格低廉，去磁特性呈线性，是常用的永磁材料。「铁氧体」的磁能积低，用「铁氧体」制造的电动机体积较大。

2. 「铝镍钴」：材料「剩磁」高，但「矫顽力」低，「抗去磁能力」低，寿命短，电动机中采用较少。

3. 「钐钴」（Sm-Co）：材料「剩磁」和「矫顽力」都很高，美中不足的是资源不多，价格昂贵，限制了应用。

4. 「钕铁硼」（Nd-Fe-B）：材料具有很高的「剩磁」、「矫顽力」、「磁能积」以及相对低的价格，是目前最合适的永磁材料。

高启动性能「稀土式永磁电动机」的技术性能

我国有丰富的「钕铁硼」材料——稀土金属。所谓「稀土金属」，是指化学元素周期表中镧系元素族中的17种元素，表现为金属特征，多以化合物形式蕴藏于自然界。稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来替代传统电动机的稀土永磁电动机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠、体积小、重量轻。