電動汽車電機及傳動系統的神奇工作原理

自 19 世紀末以來，內燃機（ICE）一直是多種交通方式的主要動力來源，大多數人至少對發動機的工作原理有一定的瞭解：燃料和空氣進入，能量輸出。顯然，這種合成的實際過程比這八個字的描述要複雜得多，但總體概念相對簡單。

內燃機爲汽車世界服務得很好，使人類能夠相對輕鬆、不費太多周折地長途跋涉。然而，汽車內燃機正在走向消亡，取代它走向滅絕的是另一種早於燃燒化石燃料的汽車推進形式。

電動汽車自 19 世紀 30 年代就已經存在，在 20 世紀初頗受歡迎，但後來輸給了內燃機汽車，因爲電動汽車生產成本高昂，而且電動啓動器的發明使燃氣動力汽車的操作更加容易。然而，現代技術改進了電動傳動系統的設計，從更好的電池技術到更高效的電動機，這使得電動汽車大規模迴歸。

與內燃機汽車不同，電動汽車沒有發動機。相反，它們使用大型可充電電池組，將電流傳輸到電動機，電動機將能量轉化爲旋轉運動。電動機是電動汽車最接近發動機的東西，它們有多種形式；然而，它們都依賴於旋轉磁場（RMF）來旋轉內部轉子，然後通過變速器和差速器將扭矩傳遞到車輪。

電動汽車電機可以說是電動傳動系統中最關鍵的部分，因爲它們負責將電池組的電流轉化爲旋轉運動。爲此，它們利用了磁性的特性。想象一根杆，杆的中心穿過磁鐵，並安裝在可以自由旋轉的軸上。然後想象在安裝在軸上的磁鐵附近放置另一組磁鐵，每組的北極相互面對。

由於兩組的北極相互排斥，軸上的磁鐵會做圓周運動，而軸另一側的磁鐵的南極被固定磁鐵的北極吸引。此時，由於相反的磁極鎖定在磁引力中，旋轉將停止。

通過使用電磁鐵，即利用電流產生電磁場，可以交替改變一組磁鐵的極性，使旋轉不斷重複。雖然在實際中更加多樣化，但這是所有電動汽車電機所使用的基本原理。

因此，根據前面的解釋，電動汽車電機由兩個主要部件組成——轉子和定子。轉子是電機的旋轉元件，上面安裝有磁鐵或電磁鐵。圍繞轉子的是定子，它是一個固定的外殼，包圍着轉子，並具有自己安裝的磁鐵或電磁鐵。通過使用電池組的電流改變轉子或定子上電磁鐵的極性，磁性使轉子持續旋轉，產生旋轉運動。

雖然所有電動汽車電機都基於相同的總體原理運行，即利用旋轉磁場使轉子旋轉，但製造商們採用了不同的設計來實現相同的目標。電動汽車電機分爲兩類——同步電機和異步電機。在同步電動汽車電機中，轉子的轉速與定子產生的旋轉磁場相同。在同步設計中，有永磁電機和電流勵磁電機。異步電機的特點是轉子滯後於定子產生的旋轉磁場。感應電機屬於異步電機類別。

屬於同步電機範疇的永磁電機，不出所料地使用裝有永磁體的轉子。由於轉子使用永磁體，它具有固有的磁場，與定子產生的旋轉磁場相互作用，使轉子與定子的旋轉磁場同步旋轉。永磁電機有多種類型，包括使用外部電機控制器調節直流電流的電機（無刷直流電機）和使用交流電流的電機（永磁同步電機）。

有刷電流勵磁交流同步電機是一種較新的電動汽車電機形式，其工作方式幾乎與永磁電機相同，但使用電刷和換向器爲轉子上的銅繞組通電。就像永磁電機一樣，通電的繞組會產生電磁場，與定子的旋轉磁場相互作用，使轉子旋轉。

同步電機的優點是在低速時提供大量扭矩，同時具有高功率密度。然而，它們在高速時會受到“反電動勢”的影響，轉子的磁體產生阻力、產生熱量並限制了最大功率。它們還需要強大的永磁體，而這些永磁體由稀土元素製成，其來源越來越困難。

交流感應電機屬於異步電機，它在轉子上用導電金屬段（通常是銅或鋁）取代了永磁體。當定子接收交流電流併產生旋轉磁力時，旋轉磁場的磁力線會在轉子的導電元件中感應出電流。這就在定子自身的旋轉磁場內產生了一個旋轉電磁場，從而使轉子旋轉。由於轉子的電磁場只有在定子的旋轉磁場經過轉子的導電材料後才產生，所以轉子總是試圖跟上，這使其成爲異步的。

交流感應電機的速度通過改變提供給定子的交流電流的頻率來控制，並且在不需要加速時也可以斷電。這避免了永磁電機面臨的反電動勢問題，提高了效率。

交流感應電機的一個主要缺點是與永磁電機相比，其低速扭矩不足。然而，由於它們使用電磁體和相對常見的導電金屬，它們的運行不依賴稀土材料。由於其構造成本低廉且效率可觀，交流感應電機在不少電動汽車中很常見，包括具有全輪驅動的特斯拉傳動系統。

與構成內燃機的複雜而精細的系統組合相比，電動傳動系統運行所需的部件更少。平均而言，內燃機需要大約 200 個部件纔能有效地將空氣和燃料轉化爲旋轉能量。相比之下，電動傳動系統僅包含約 17 個部件。雖然電動汽車動力系統看起來不如汽油發動機複雜，但將充電站的電力轉化爲車輛運動需要很多環節。

電動汽車具有牽引電池組，負責存儲在充電站或電源處所收集的能量。 3 級快速充電器輸出的是高壓直流電，而 1 級和 2 級充電器使用牆壁插座輸出交流電。像所有電池一樣，牽引電池組只能容納和傳導直流電，這就是爲什麼需要車載充電器和其他電力電子設備將輸入的交流電轉換爲直流電以供電池存儲。一旦電池充滿電，電流會再次通過逆變器轉換爲交流電，然後被髮送到電動機。

然後，電動機將來自牽引電池的電力轉換爲旋轉運動。電動機產生扭矩後，經由爲電動傳動系統設計的變速器發送到差速器，差速器將其分配至車輪之間。

值得注意的是，在減速期間，當電池未向電動機供電時，電動機也充當發電機。當您的腳未踩在油門上時，車輪的旋轉使轉子旋轉，產生反向旋轉磁場，並通過交流-直流轉換器爲電池充電提供電力。