之前，我们介绍了传统燃油发动机(以下简称：发动机)的工作原理，以及满足性能所付出的技术代价。同时，也提到了电动机体积小，零件少维护成本更低的优势。那么在实际中，电动机是怎么工作的，为什么电动机实现高性能相对容易些，下面的文字将为你解答。

工作原理简单的电动机

电动机，运转电源通常为直流或交流电，利用转矩源于定子转子磁场互排斥原理工作。将电能转化为机械动能从而推动汽车行走。 

直流电动机

直流电机的定子采用励磁绕组，上面布满绕组线圈，通电后产生磁场。换向器和电刷决定了正负极方向一致，从而保证转子的电磁转矩永远持续的逆时针转下去。转子上面的电枢绕组产生感应电动势与电磁转矩，定子励磁绕组产生磁场。两组磁场相互排斥，通过电流运动转动。电动势就是我们所说的电路中，电流从电源的负极通过正极所做的功，也就是输出多少伏特的电压。

 

 

电动机结构复杂度远低于发动机，主要结构仅有定子和转子

但大部分都电动汽车更愿意使用性能更好的三相交流永磁电机，或者异步感应交流电机。直流电机即使是无刷结构，也会因为功率范围小，在汽车行驶震动，温差变化、高过载，其导磁结构容易发生退磁现象，在恒功输出下，控制系统复杂等客观因素极少的采用。

交流电动机

永磁同步电动机它配备了类似感应电机的传统三相定子，并且转子使用了表面贴装永磁体也就是这个结构才称为永磁。从这个角度来看，永磁同步电机与感应电机基本相同，只不过永磁同步电机的气隙磁场由永磁体产生。使用永磁体可产生强大的气隙磁通，为设计高效永磁电机提供了可能性。永磁同步电机要产生强大的扭矩，必须使定子磁通与转子磁通之间的角度保持为接近90°为满足这一条件，电机需要采用电子控制装置来保证正常运行。

三相异步感应电动机主要结构有：定子铁芯、内圆线圈绕组、机壳；转子结构有：铁芯、转子绕组、转轴等结构。相比定子铁芯，线圈绕组的斜槽在外圆，没有电刷结构。三相电源电荷正负极方向自身会发生变化。同步、异步电机的定子绕组结构基本相同，主要区别在于转子。

直流与交流的区别在结构上差异不大

永磁同步&异步感应不同点

永磁同步的“同步”就是电枢（定子）绕组流过电流后，将在气隙中形成一旋转磁场，而该磁场的旋转方向及旋转速度均与转子转向，转速相同，故为同步。同步电机转子上有直流励磁绕组，需要外加励磁电源通过滑环引入电流；异步感应电机的转子是短路的绕组，转子并不需要额外电源！原理结构很简单，由于定子通电后与转子形成气隙旋磁场，相互传递电磁力，转子受到定子产生的感应电流相互作用从而产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能。两磁相互作用影响，使转子跟着定子旋转，其中转子比定子旋转磁场慢有个转差，不同步所以称为异步电机。

 

感应电机转子“弱磁”特性是特斯拉使用的主要原因

就拿起步杀手特斯拉 Model S P85(以下简称：Model S P85) 来说，它使用了价格更加低廉的“三相交流异步感应电机”，保证了在每次起步的时候有实力秒杀排量大于5L传统汽车。从最初的秒杀4.4T双涡轮的M5，到屡试不爽地秒杀4/1英里加速赛中的雪佛兰科尔维特C7 Z51，秒杀兰博基尼LP570-4 Super Trofeo Stradale。Model S P85之所以使用台湾富田提供的感应式电机，除了感应电机结构简易，造价成本低廉。还有一个重要原因就是感应电机的转子没有永磁体（永磁电机的转子绕线圈为永磁铁），这样的“弱磁”特性使得Model S P85拥有更快的行驶极速。


由于永磁同步电机的转子是永磁体励磁，随着转速升高，电机电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速只有靠调节定子电流的大小和相位，增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速。电机“弱磁能力”的大小主要与直轴电抗和反电动势大小有关，但永磁体串联在直轴磁路中，所以直轴磁路一般磁阻较大，弱磁能力较小，电机反电动势较大时，也会降低电机的最高转速。这种现象有点类似变速箱齿比大，但极速会降低。感应电机由于转子产生互斥磁场的电流感应自定子（非接触），所以转子磁性阻力随着转速的升高，相比永磁体电机更低。

对一般电机，可以用调节励磁电流来控制。但永磁电机磁场的磁通量调节却比较困难，因此需要采用磁场控制技术来实现。这使得永磁电机的控制系统变得更复杂，而且增加了成本。

电动机扭矩爆发瞬间响应

电动机扭矩具有瞬间爆发的优势。但为了舒适性，你温柔驾驶，电动车电池管理和电机输出控制模块还是会限制输出，类似发动机ECU控制喷油和进气。比如说在Model S P85上，当你毫不犹豫的踩下踏板，那种迅猛而且没有迟滞的电力推进，很难让你记得它有两吨的体重。


BMW M5 4.4T双涡轮发动机，扭矩的攀升随着转速提高而增加，但在峰值后回落


Model S P85功率曲线：最大扭矩在起步就可以爆发

起步时电动机的优势最为明显，扭矩瞬间输出，主减速齿轮和单速变速箱提供的一挡大齿比，使得动力爆发一气呵成，也让加速更加酣畅。视频中LP570-4小牛还在一次次发出降档排气的回压声，等待转速攀升达到最佳扭矩，而此时Model S P85早已超越它。即使是性能在好的自然吸气或者涡轮发动机，扭矩到来都需要反映时间，但电机可以在极短的时间内达到最大扭矩输出。在未来如果有更先进的多级变速箱加入，也许Model S P85不但会赢在起点，赢在终点也是可能的！

 

车用电动机平顺性更高

车用电动机的性能和功率密度，加工精度需求相比传统电动机更高，拥有良好的调速性能，采用了散热效能更好的铝合金壳体，而且功率密度很大体积更小。异步电机在解决了调速问题后，特斯拉使用问题也引刃而解。

拆开一个普通商用电动机从横截面观察，看你会发现很多条状纵向排列的线圈绕组，它们被一匝一匝有间隔的排列，有五组或者更多组“五角星形状”排列的磁感线圈，这些定子上的线圈绕组产生的磁场可以驱动转子，线圈间隔有的为120°，这种线圈“匝数”也称为——极对数。商用电动机的，磁感线圈排列太少间隔大，使得磁场驱动转子输出时候的惯性较大，输出力矩不均匀。在发动机上，也是缸体数量的对称决定了平顺性。


上图：日产聆风永磁电机，下图：Model S P85感应异步电机，车用电动机的励磁绕组排列更为密集

定子上面的励磁绕组排列的“极对数”越密集，间隔角度数越小，驱动转子的力矩就越均匀平顺，并且惯性会更小，控制也更加精确。电动机运动结构也不能做成矩形，矩形无法保证做到磁场互斥呈圆周往复运动，只有散热外壳可能是方形的。

电动机散热结构简单

电动机转子的超高转速也是发动机难以PK的，三相感应异步电动机和永磁同步电机，大转速能达到或者超过11000rpm/min。并且由于电动机没有燃烧环节，对于散热方式的选择也更为灵活，风冷结构就能满足，对散热需求的依赖远低于实现相同性能的发动机。

电动邦小结：

电动机源自电磁能蕴含的强大能量，在通入电源后利用磁场互斥原理运转，零件少体积小性能强更适合性能车。传统动力使用燃烧膨胀原理，进气流量和转速对性能影响较大，也许在未来伴随着排气管嘶吼发出的换档回压声将越来越少！很多新世代混动超跑，都不再单纯靠提升发动机输出满足性能，选择加入电动机发挥各自动力的优势。同时还降低了满足日益严苛废气排放法规与性能诉求的之间的成本投入。

其实，在军事领域电动机运用也十分广泛。英国“45型”驱逐舰使用了更先进的全电推进结构。燃气轮机不直接与传动轴连接，而是与主发电机连接，由推进电动机提供驱动力带动桨叶旋转。在有限的船体空间内，如果直接使用燃气轮机来达到媲美全电推进的功率输出，是难以实现的。