相比傳統的「燃油車」，對「純電汽車」而言最為突出的變化就是所謂的「三電」：「電動機」、「電池組」和「電控系統」。今天我就用一篇長文帶大家徹底搞懂「純電汽車」的「電動機」。

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本文目錄

1. 由「上下運動」轉為「旋轉運動」

2. 「電動機」的基本原理

3. 兩類常用的「電動機」

4. 已被『封神』的尼古拉·特斯拉

5. 「交流電動機」的基本構成

6. 「異步交流電動機」的工作原理

7. 「三相異步交流電動機」的工作原理

8. 「交流電動機」的特點

9. 「同步電動機」的基本構造

10. 「永磁同步電動機」的工作原理

11. 「永磁同步電動機」的特點

12. 暫告一段落

由「上下運動」轉為「旋轉運動」

記得幾年前，還有不少的自媒體會將「燃油汽車」與「電動汽車」作對比，比如在零百加速、最大功率和最大扭矩等方面，以此突顯「電動汽車」可以秒殺「燃油汽車」……

特斯拉（雙電動機）vs法拉利（V8架構發動機）（數據源自汽車之家）

對於自媒體這種『略耍流氓』的對比行為，現在看來還有幾分懷念。但隨著大家對兩類汽車「驅動系統」的逐步瞭解，大家也漸漸體會到兩者各有優劣。相信駕駛過非40萬元以上「純電汽車」的車主，都會有這樣的感覺：

論起步，20萬元左右的「電動汽車」（以「電動機」起步）可以稱霸一時；但論60km/h~100km/h的中後段加速，「電動汽車」似乎就開始『軟』了。

「燃油汽車」的「四衝程」發動機工作原理

大部分「燃油汽車」的「發動機」是通過在「氣缸」中點燃汽油產生熱（爆炸），推動「活塞」做「四衝程」的上下運動，又通過「曲柄連桿」轉換為旋轉運動，形成驅動汽車的動力。換言之，「發動機」與古老的「蒸汽機」一樣，將熱能轉換成機械能。

燃油發動機轉速（RPM）與使用效率（EFFICIENCY）的關係

其結構的優缺點，相信大部分略懂汽車的朋友都能道出幾點。而其中讓工程師最頭疼的缺陷在於：「發動機」僅在有限的「轉速」範圍內，才可以產生可用的「扭矩」和「功率」。也就是說，如果汽車只有一個檔位（只有手動擋的一檔），那麼無論你怎麼踩油門，讓「發動機」如何瘋轉，汽車在達到一定的速度後（一般不會超過20km/h），都不會再提速了。

佔用發動機艙大量空間的各類變速箱

這一點就帶來很多後續的麻煩：

1. 必須將「發動機」保持在最佳「轉速」範圍內；

2. 故此必須配備一個變速裝置，來調節「發動機」輸出的動力；

3. 「發動機」在能源使用「效率」上很低（小於42%）……

通用汽車交流異步電動機構造

而反觀「電動汽車」的「電動機」，彷彿一切都簡單了，因為：

1. 我們不必再擔心「發動機」在做「上下運動」轉換為「旋轉運動」白白浪費能量。因為「電動機」的「轉子」本來就做「旋轉運動」；

2. 我們不必再擔心能源使用「效率」。因為「電動機」在任何轉速下，都能保持90%左右的能源使用「效率」；

3. 我們不必再擔心……

但在我們詳解「電動機」的優勢前，還是有必要先了解一下「電動機」的原理。

「電動機」的基本原理

為了清晰地說明「電動機」的原理，我們先從一個小小的實驗開始：

先來看幾個小圖示，我們將一根電線看做一個桶，而在桶中流動的「電流」比作一支弓箭，當「電流」的方向穿入紙面時，我們看到的是箭尾的羽毛劃出的『十字』；反之，當「電流」的方向穿出紙面時，我們看到的是箭頭，即是一個點。

這是一張最簡單的（帶電「線圈」）電路圖，其中有我們實驗需要使用的一根「導線」，還要一個「電源」（此處為一節乾電池）。當我們從截面觀察「導線」兩側時，「電流」的方向分別是箭頭（左側）和箭尾（右側）。同時也要注意上圖中「線圈」兩側的顏色，左側的為藍色，右側的為紅色。

當我們將這個「線圈」放入一個由兩塊吸鐵石（「永磁體」）所構成的「磁場」中，於是有趣的事情發生了，根據「左手定理」：張開左手，讓「磁感線」穿入手心，四指指向「電流」方向 ，那麼大拇指的方向就是「線圈」兩側的受力方向。在上圖中「線圈」左側向上，右側向下。在這種作用力下，「線圈」就開始『旋轉』。

然而，「線圈」只能旋轉90°，因為當「線圈」的兩側垂直於「磁場」時，由於力的方向仍然沒變，「線圈」就『卡當』了，無法使其繼續旋轉。而有一種簡單的辦法讓「線圈」保持旋轉——在「線圈」的兩側垂直於「磁場」的瞬間斷開「電源」！讓「線圈」在「慣性」的作用下繼續旋轉90°。

當「線圈」從起始位置旋轉180°後，我們需要改變「電流」的方向，讓「線圈」繼續旋轉90°，接下來再斷開「電源」讓它走完最後的90°，這樣「線圈」就完成一次360°的旋轉。當你看懂了以上幾張圖，恭喜你，你已經瞭解「電動機」最基本的原理。

「直流電動機」工作原理（簡圖）

實驗中我們使用了乾電池，即以「直流電」作為供電電源，所以這類「電動機」被稱為「直流電動機」。此外，為保持我們「線圈」旋轉，我們需要轉換「電流」的方向，『笨辦法』是將乾電池換個方向，但實際應用中，可以使用一種叫「轉向器」的組件來完成。最後，實驗所用的吸鐵石充當著「直流電動機」中「定子」的角色，而旋轉在「定子」中的「線圈」則被稱為「轉子」。

兩類常用的「電動機」

「電動機」種類繁多，我們談及的是作為驅動「電動汽車」的「電動機」。首先按工作電源不同，電動機可以分為「直流電動機」和「交流電動機」兩大類。

「交流電動機」又可以按「轉子」與「定子磁場」的轉速是否相同，分為「同步交流電動機」和「異步交流電動機」兩大類。「同步交流電動機」又可分為「永磁同步交流電動機」和「勵磁同步交流電動機」；而「異步交流電動機」又分為「三相異步交流電動機」和「單相異步交流電動機」兩種。

常見電動汽車 「（驅動）電動機」分類簡述

目前的家用「電動汽車」大多數採用「交流電動機」，並以「三相異步交流電動機」和「永磁同步交流電動機」兩類為主。或許你看到這裡會有點暈，我們以「三相異步交流電動機」為例，先做一個『名詞解釋』：

「三相異步交流電動機」的名詞解釋

已被『封神』的尼古拉·特斯拉

當我們談及「交流電動機」那就不得不提一下這位已被『封神』的尼古拉·特斯拉。

1882年的一天，特斯拉在與朋友郊外散步時，頭腦中構思出一種全新的「交流電動機」模型：它完全不用「電刷」和「整流子」，「轉子」不接電路而是懸空轉動，使用「交流電」，無需整流，無火花，相比原來的「直流電動機」要安全得多。因為它是根據「電磁感應原理」製成，所以又稱「感應電動機」（即是「交流電動機」）。

尼古拉·特斯拉關於「交流電動機」的『專利申請圖』

1884年，特斯拉帶著一封推薦信和他的設計圖移居美國，並在「新澤西愛迪生工廠」尋求職位。特斯拉向愛迪生呈現他的「交流電動機」發明時，愛迪生因擔心這會影響他公司「直流電」和「直流電動機」的發展，便拒絕了特斯拉的「交流電動機」計劃。

尼古拉·特斯拉的「交流電動機」（「感應電機」）原型（源自維基百科）

「交流電動機」的基本構成

從尼古拉·特斯拉的『專利申請圖』中，我們已經看到「交流電動機」的基本結構：「交流電動機」主要有兩大部件：「定子」和「轉子」。

特斯拉汽車「異步交流電動機」總成及其「定子」拆解（源自網絡）

· 「定子」：最外面的圓筒，圓筒內側纏有很多「繞組」，這些「繞組」與外部交流電源接通，由於整個圓筒與「機座」連接在一起，固定不動，因此稱為「定子」 。

特斯拉汽車的「異步交流電動機」的「轉子」專利（US20130069476A1）

· 「轉子」：在「定子」的內部便是「轉子」，其要麼是一個纏繞著很多導線的圓柱體（即「繞線式轉子」），要麼是籠形結構的圓柱體（即「籠式轉子」，如上圖特斯拉）。由於「轉子」不被固定，而是與「動力輸出軸」連接在一起旋轉，因此又稱為「轉子」。

「轉子」與「定子」的結構示意圖

· 「轉子」與「定子」：兩者之間沒有任何連接和接觸（此間隙被稱為「氣隙」，通常為0.2~1mm），並以『套筒』的結構相互套住。當「定子繞組」接通交流電源時，「轉子」就會旋轉並輸出動力。

「異步交流電動機」的工作原理

簡單地來說其原理就是：通電「繞組」在旋轉磁場裡轉動。以特斯拉汽車也在使用的「異步交流電動機」（即「異步感應電動機」）為例來解釋。

特斯拉Roadster（2008）採用「異步交流電動機」

或許你會問：『「電動機」中的「定子」和「轉子」並不接觸，為什麼給「定子」的「繞組」通上「交流電」後，「轉子」就會旋轉呢？』其工作原理應用到兩大「電磁學定律」：「法拉第定律」和「楞次定律」。而其工作邏輯請見下流程圖：

「交流異步電動機」工作原理邏輯

STEP 1. 當「定子」上纏繞的「繞組」通上「交流電」後，由於「交流電」的特性，「定子繞組」就會產生一個旋轉的「電磁場」；

STEP 2. 「轉子繞組」是一個「閉環導體」，它處在「定子」的旋轉磁場中就相當於在不停地切割定子的「磁感應線」；

STEP 3. 根據「法拉第定律」，閉合導體的一部分在磁場裡做切割磁感應線的運動時，導體中就會產生「電流」，而這個「電流」又會形成一個「電磁場」；

STEP 4. 此時，我們就有了兩個「電磁場」：一個是接通外部交流電後而產生的「定子電磁場」；另一個是因切割「定子」的電磁感應線而產生電流後形成的「轉子電磁場」；

STEP 5. 根據「楞次定律」：『「感應電流」的磁場總要反抗引起「感應電流」的原因（「轉子繞組」切割「定子電磁場」的「磁感應線」）』 ，也就是盡力使「轉子」上的導體不再切割定子磁場的「磁感應線」；

STEP 6. 結果就是：「轉子繞組」就會不停『追趕』著「定子」的旋轉電磁場，即是『使「轉子」跟著「定子」旋轉電磁場旋轉』，最終使「電動機」開始旋轉。

「交流異步電動機」工作原理（動圖）

「交流異步電動機」工作原理（圖解）

在整個工作流程中，我們會發現一個有趣的現象：由於「定子」需通電後才能產生旋轉的磁場，此磁場使「轉子」發生「電磁感應」從而旋轉，所以「轉子」的轉速與「定子磁場」的轉速不同步（轉速差約為2%~5% ）。故此我們稱其為「異步交流電動機」。反之，如果兩者的轉速相同，我們就稱其為「同步交流電動機」。

「三相異步交流電動機」的工作原理

在工業領域使用最為廣泛的「異步交流電動機」是「三相異步交流電動機」，而在「電動汽車」領域，特斯拉汽車和蔚來汽車則是使用此類「電動機」的代表。

「三相異步交流電動機」的工作原理（動圖）

「三相定子繞組」電路圖

「三相異步交流電動機」在構造上的特別之處在於，「定子繞組」是一個空間位置對稱的「三相繞組」，如上圖所示，每個「相位」在空間的位置彼此相差120°。當把「三相繞組」接成星形，並接通「交流電」後，那麼在「定子」中便產生三個對稱電流（「三相電流」）。

「三相交流電動機」內部「定子磁場」對「轉子」的影響（動圖）

「三相電流」形成旋轉的「磁場矢量」會疊加，並對「轉子」產生影響，使得「轉子」能更快速的旋轉（相比「單相異步交流電動機」），其轉速可達到12000~15000r/min，從而驅動「電動汽車」。

蔚來的「異步交流電動機」

舉兩個例子：特斯拉Model X高性能版後驅為單電動機，最大功率達到375kW，最大扭矩達到了650N·m，堪稱恐怖。此外，蔚來ES 8 425KM的單電動機，最大功率也可達到240kW，最大扭矩達到了420N·m，憑藉「異步交流電動機」的性能，使得整車備重超過2.4噸的汽車，百公里加速任然能保持在5秒以內。（數據源自《汽車之家》數據庫）

「交流電動機」的特點

至此，我們基本將「交流電動機」的基本結構和工作原理簡單地解釋完了，最後我們簡單地來談談「交流電動機」的特點。

結構簡單的「交流電動機」（動圖）（源自網絡）

先說其優點，我們從上面的結構和工作原理介紹中就可以看出：

1. 結構簡單，重量相對較輕，體積相對較小；

2. 運行可靠，經久耐用；

3. 電動機本體制造成本較低且維修簡單方便。

特斯拉Model X 及其電驅控制系統

但萬事都有兩面性，別看「交流電動機」的主要部件不多，但其「電控系統」非常複雜，製造成本較高，高到什麼程度呢？

「同步電動機」的基本構造

此前，我們提到在「異步交流電動機」中，使「轉子」轉動的重要原理是：

Step 1. 「定子」旋轉磁場先在「轉子繞組」中感應出「電流」；

Step 2. 「感應電流」再產生「轉子磁場」，帶動「轉子」旋轉。

「交流異步電動機」工作原理邏輯

在楞次定律的作用下，「轉子」跟隨「定子」的旋轉磁場轉動，這造成了兩者轉速不同步，因此才稱其為「異步電動機」。

若是將「轉子」的「繞組」換為磁鐵（永磁體）會如何呢？

但如果「轉子繞組」中的「電流」不是由「定子」旋轉磁場所感應產生，而是自己產生，即「轉子磁場」與「定子旋轉磁場」無關，而且其磁極方向是固定的，那麼根據同性相斥、異性相吸的原理，定子的旋轉磁場就會拉動轉子旋轉，並且使轉子磁場及轉子與定子旋轉磁場『同步』旋轉。這就是「同步電動機」的基本工作思路。

「永磁同步電動機」基本結構和原理

根據轉子自生磁場產生方式的不同，又可以將「同步電動機」分為兩種：

1. 將「轉子繞組」通上外接「直流電」（即「勵磁電流」）然後由「勵磁電流」產生「轉子磁場」，進而使「轉子」與「定子」的磁場同步旋轉。這種由「勵磁電流」產生「轉子磁場」的「同步電動機」稱為「勵磁同步電動機」（此處不展開，有興趣的朋友可以深究一下）；

奧迪Q7 e-tron 3.0 TDI Quattro的「永磁同步交流電動機」構造圖（源自官網）

2. 乾脆在「轉子」上嵌上「永久磁體」，直接產生「磁場」，省去「勵磁電流」或「感應電流」的環節。這種由「永久磁體」產生「轉子磁場」的「同步電動機」，就稱為「永磁同步電動機」。

「永磁同步電動機」的工作原理

接下來我們仔細來看一下「永磁同步電動機」的工作原理，如圖所示，外圈（灰色區域）為「定子」，「定子」內部間隔繞制著三組六匝的「繞組」（紅、綠和藍），對角線為相同組。而中間加入一塊條形磁鐵，即是「轉子」，條形磁鐵中心位置連接著「輸出軸」，最終將動力傳輸到「輪胎」。

當給第一組「定子繞組」（比如綠色）通上「交流電」後，在垂直角度就產生類似條形磁鐵的磁場。此時，「定子」的磁場與「轉子」的磁體磁場產生互斥和相吸的影響，「轉子」就開始旋轉。依次或同時給三組「繞組」通電，整個「定子」內部的磁場不停發生變化，「轉子」便不停地旋轉起來。

當然，在現實生活中，我們不會用一塊條形磁體作為「轉子」，而是將「永磁體」製作成類環型，使得「轉子」受到更強的「定子磁場」影響，旋轉起來也就更加的穩定。

「永磁同步電動機」基本工作邏輯

通過上圖我們清楚地看到「永磁同步電動機」基本工作邏輯，相比「異步電動機」由於「轉子」自帶磁性，當「定子繞組」通電後，「轉子」立即受力，這就使得「定子磁場」與「轉子」兩者的轉速達到了同步。

「三相永磁同步電機」工作原理簡圖（動圖）

當然，我們也不能忘記，只要是「電動機」，對於「勵磁繞組」（定子部分）的控制都是關鍵，每組「繞組」的「通斷」都需要通過「轉子位置傳感器」和「開關控制」等系統進行控制，絕非是簡單的『你通我斷』那麼簡單，而是一個比較複雜的「通斷」規則，這就是後面的內容了。

特斯拉Model 3上使用的「永磁同步電動機」

「永磁同步電動機」的特點

先來說「永磁同步電動機」的優點：具有較高的功率和質量比，體積更小，質量更輕，比其他類型電動機的輸出轉矩更大，其極限轉速和制動性能也比較優異，因此「永磁同步電動機」已成為現今電動汽車應用最多的電動機。

通用汽車所使用的「永磁同步電動機」構造圖

但「永磁電動機」的性能優劣與永磁材料密切相關。目前用在「永磁電動機」上的永磁材料有「鐵氧體」、「鋁鎳鑽」、「釤鈷」、「釹鐵硼」等幾種。

1. 「鐵氧體」：價格低廉，去磁特性呈線性，是常用的永磁材料。「鐵氧體」的磁能積低，用「鐵氧體」製造的電動機體積較大。

2. 「鋁鎳鈷」：材料「剩磁」高，但「矯頑力」低，「抗去磁能力」低，壽命短，電動機中採用較少。

3. 「釤鈷」（Sm-Co）：材料「剩磁」和「矯頑力」都很高，美中不足的是資源不多，價格昂貴，限制了應用。

4. 「釹鐵硼」（Nd-Fe-B）：材料具有很高的「剩磁」、「矯頑力」、「磁能積」以及相對低的價格，是目前最合適的永磁材料。

高啟動性能「稀土式永磁電動機」的技術性能

我國有豐富的「釹鐵硼」材料——稀土金屬。所謂「稀土金屬」，是指化學元素週期表中鑭系元素族中的17種元素，表現為金屬特徵，多以化合物形式蘊藏於自然界。稀土永磁材料的磁性能優異，它經過充磁後不再需要外加能量就能建立很強的永久磁場，用來替代傳統電動機的稀土永磁電動機不僅效率高，而且結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕。

「釹鐵硼」製成的「永磁體」（圖片源自網絡）

「稀土式永磁電動機」既可達到「傳統電勵磁電動機」所無法比擬的高性能（如特高效、特高速、特高響應速度），又可以製成能滿足特定運行要求的特種電動機，如電梯曳引電動機、汽車專用驅動電動機等。不過，我們不得不否認，雖然我國地大物博，算是稀土資源豐富的國家，「稀土式永磁電動機」的製造成本仍是較高的。

N44H退磁曲線（圖片源自網絡）

此外，永磁材料的特性通常與溫度有關，如磁體溫度增加，失去剩磁的速率會加大。如果永磁體的溫度超過「居里溫度」，則會完全失去磁性（磁性為零）。「退磁特性」曲線隨溫度變化，在一定溫度範圍內，其變化是可逆的，近似線性變化。

暫告一段落

電動汽車各類「電動機」的特點

網上關於『「異步交流電動機」和「永磁同步電動機」孰好孰壞』爭論不休，通過上表我們可以全面地對比四類「電動機」的特點。我認為：這裡沒有『好與壞』的判斷，只有『最合適』的選擇！

特斯拉Model 3使用「異步交流電動機」和「永磁同步電動機」的組合（圖片源自網絡）

相信無論是特斯拉，還是國內的新勢力，在選擇電動汽車的『心臟』時，都會從製造成本、電控難度和供應商等多個因素去考慮。對於消費者而言，其實也不要糾結，開著安全，開起來爽，才是王道。