傳統(tǒng)汽車的動力來源于發(fā)動機(jī)， 電動汽車以電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)代替了發(fā)動機(jī)作為動力來源，電動汽車中的燃料電池電動汽車、混合動力電動汽車和純電動汽車都需要使用電機(jī)來驅(qū)動車輪行駛。選擇合適的電機(jī)是提高各類電動汽車性價比的重要途徑， 因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求， 并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的驅(qū)動電機(jī)顯得極其重要。這也是提高電動汽車性價比而使其盡快普及應(yīng)用、搞好節(jié)能減排工作的有效途徑。電動汽車的動力性能取決于它的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能。

5.2 直流電機(jī)

直流電機(jī)因為具有調(diào)速性能好、過載能力強(qiáng)、控制簡單等優(yōu)勢，曾經(jīng)在調(diào)速電機(jī)領(lǐng)域中獨占鰲頭，可以說在 20 世紀(jì) 70 年代以前，大部分對調(diào)速性能要求較高的場合使用的都是直流電機(jī)。直流電機(jī)也是電動車輛中應(yīng)用最早且較廣泛的電機(jī)。由于直流電機(jī)存在換向火花、電刷磨損以及電機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，直交流調(diào)速電機(jī)后來者居上。但目前直流電機(jī)仍在較多場合被使用，如城市中的無軌電車和電動叉車較多地采用直流驅(qū)動系統(tǒng)，特別是對于由蓄電池提供電源的車輛，可直接利用直流電。

5. 2. 1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)是 1883 年英國人發(fā)明的，后來經(jīng)過不斷的發(fā)展，形成如今的將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的一種成熟裝置，在日常生活和工程技術(shù)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

直流電機(jī)主要由機(jī)座、電樞、主磁極、換向磁極、換向器、刷架、端蓋、風(fēng)扇、出線盒等組成，如圖5-2所示。其構(gòu)造簡圖如圖5-3所示，其中靜止部分叫作定子，轉(zhuǎn)動部分叫作電樞或轉(zhuǎn)子。

1. 定子

定子是由機(jī)座、主磁極、勵磁繞組、端蓋和電刷裝置組成。

1)機(jī)座。機(jī)座是用來固定主磁極電刷架和端蓋等部件的， 起支撐、保護(hù)作用， 與主磁極鐵心、磁軛、電樞鐵心一起構(gòu)成電動機(jī)的磁路， 磁通通過整個磁路的情形如圖5-4中的虛線所示。

它是用鑄鐵、鑄鋼或鋼板制成的。

2)主磁極。主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。鐵心一般用0.5 ~ 1. 5mm厚的硅鋼板沖片疊壓珋緊而成， 分為極身和極掌兩部分， 上面套勵磁繞組的部分稱為極身， 下面擴(kuò)寬的部分稱為極掌。極掌寬于極身， 既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布， 又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成， 套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機(jī)座上， 如圖5-5所示。

3)電刷裝置。電刷裝置用來引入或引出直流電壓和直流電流， 它由刷握、電刷、壓緊彈簧和銅絲辮等組成， 如圖5-6所示。電刷放在刷握內(nèi)， 用彈簧壓緊， 以使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸。電刷盒固定在刷桿上， 刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上， 相互之間必須絕緣。常常把若干個電刷盒裝在同一個絕緣的刷桿上。在電路連接上， 把同一個絕緣刷桿上的電刷盒并聯(lián)起來， 稱為一組電刷。一般的直流電機(jī)中， 電刷組的數(shù)目可以用電刷桿數(shù)表示，電刷桿數(shù)與電機(jī)的主磁極數(shù)相等。

各電刷桿在換向器外表面上沿圓周方向均勻分布， 正常運行時， 電刷桿相對于換向器表面有一個正確的位置， 如果電刷桿的位置放得不合理， 將直接影響電機(jī)的性能。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上， 圓周位置可以調(diào)整， 調(diào)好以后加以固定。電刷架總成如圖5-7所示。

2. 轉(zhuǎn)子

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子（電樞）主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。

1)電樞鐵心。電樞鐵心的作用有兩個：一個是作為主磁路的主要部分；另一個是嵌放電樞繞組。由千電樞鐵心和主磁場之間的相對運動會在鐵心中引起渦流損耗和磁滯損耗（這兩部分損耗合在一起稱為鐵心損耗， 簡稱 “鐵耗＂ ），為了減少鐵耗， 電樞鐵心通常用 0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片的沖片疊壓而成， 并固定在轉(zhuǎn)軸上。電樞鐵心沿圓周有均勻分布的槽， 里面可嵌入電樞繞組， 如圖5-9所示。

2)電樞繞組。電樞繞組由許多按一定規(guī)律排列和連接的線圈組成， 它是直流電機(jī)的 主要電路部分， 是通過電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動 勢以實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵性部件。

線圈用包有絕緣的圓形和矩形截面導(dǎo)線繞制而成， 亦被稱為 元件”，每個元件有兩個出線端。電樞線圈嵌放在電樞鐵心的槽中， 每個元件的兩個出線端以一定規(guī)律與換向器的換向片相連， 構(gòu)成電樞繞組。

3)換向器。換向器也是直流電機(jī)的重要部件。在直流電機(jī)中， 它將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。換向器安裝在轉(zhuǎn)軸上， 與轉(zhuǎn)軸過盈配合， 主要由許多換向片組成， 片與片之間用云母絕緣， 換向片數(shù)與元件數(shù)相等， 如圖5-10所示。

3. 氣隙

氣隙并不是結(jié)構(gòu)部件， 只是定子的磁極與轉(zhuǎn)子的電樞之間自然形成的縫隙。但是氣隙是主磁路的一部分， 氣隙中的磁場是電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介。因此， 氣隙的大小對電機(jī)的運行性能有很大的影響。通常， 小容量直流電機(jī)的氣隙約為1 -3mm, 大容量直流電機(jī)的氣隙更大。

5.2. 2 直流電機(jī)的基本原理

從理論上說， 一臺直流電機(jī)既可作電動機(jī)使用， 也可作為發(fā)電機(jī)來用，其原理分別建立在電磁力和電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上。圖5-11所示為直流電機(jī)的物理模型， 是直流發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖。

(1)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生 普通直流電機(jī)為有刷直流電機(jī)，其工作原理如圖5-11所示。

電源的直流電通過電刷和換向片引入可轉(zhuǎn)動的電樞繞組，電樞繞組的兩匝邊受到磁場力F的作用而形成電磁轉(zhuǎn)矩M, 如圖5-lla所示。在M的作用下， 電樞繞組轉(zhuǎn)動， 當(dāng)ab匝邊轉(zhuǎn)到下半平面、cd匝邊轉(zhuǎn)到上半平面時，a端換向片與d端換向片交換所接觸的電刷，使電樞繞組的電流換向， 而電樞繞組兩匝邊受磁場力F作用所形成的電磁轉(zhuǎn)矩的方向保持不變，如圖5-llb所示。在方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩M的作用下， 電樞便可持續(xù)轉(zhuǎn)動。

實際的直流電機(jī)為產(chǎn)生足夠大且穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，其電樞由多匝繞組串聯(lián)而成，并由多個換向片組成換向器。根據(jù)安培定律， 可以推導(dǎo)出直流電機(jī)通電后所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩M與磁極的磁通量中和電樞電流 Ia 之間的關(guān)系， 即

式(5-1)中， cm 為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)， 與電動機(jī)磁核對數(shù)p、電樞繞組導(dǎo)線總根數(shù)z及電樞繞組電路的支路對數(shù)a有關(guān)。

(2)直流電機(jī)的工作過程

1)直流電機(jī)工作時的電壓平衡方程式。通電的直流電機(jī)的電樞在電磁轉(zhuǎn)矩M的作用下轉(zhuǎn)動起來時，電樞繞組就會因切割磁力線而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，此電動勢與電樞電流L的方向相反，故也被稱為反電動勢 Ef。Ef與磁極的磁通量和電樞的轉(zhuǎn)速n成正比，即

Ce也是電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，因此，電樞回路的電壓平衡方程式為

式(5-3)中，凡 為電樞回路的電阻，它包括電樞繞組的電阻和電刷與換向器的接觸電阻。

2)直流電機(jī)通電后的工作過程。在直流電機(jī)剛接通電源的瞬間，其電樞轉(zhuǎn)速n為0。電樞反電動勢Ef也為 0。這時，電樞繞組通過最大電流 (Imax=U／Ra），并產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩 Mmax, 如果最大的電磁轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)的阻力矩 Mz , 則電樞就開始加速轉(zhuǎn)動起來。隨著電樞轉(zhuǎn)速的上升，電樞反電動勢Ef增大，電樞電流Ia 便開始下降，電磁轉(zhuǎn)矩M也隨之減小。當(dāng)M降至與電機(jī)的阻力矩Mz相平衡） 時，電樞就在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

從直流電機(jī)的工作過程可知，直流電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大，在用作電動汽車的驅(qū)動電機(jī)時，電動汽車的起步和加速性較好。

5. 2. 3 直流電機(jī)的勵磁方式

從直流電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)可知，主磁極的勵磁方式有永磁式和電勵磁式兩種。電勵磁式是給勵磁繞組供電，產(chǎn)生勵磁磁動勢而建立主磁場的方式。根據(jù)供電方式的不同，它又可分為他勵和自勵兩類，而自勵又被分為串勵、并勵和復(fù)勵三種。汽車上常用的有并勵直流電機(jī)和串勵直流電機(jī)。

1. 串勵直流電機(jī)

這種電機(jī)的勵磁繞組同電樞繞組串聯(lián)，如圖5-12所示，其勵磁繞組稱為串勵繞組。為了減小其電壓降及銅損失，串勵繞組應(yīng)具有較小的電阻。因此，它總是用截面積較大的導(dǎo)線繞成，且匝數(shù)較少。

2. 并勵直流電機(jī)

這種電機(jī)的勵磁繞組同電樞并聯(lián)，如圖5-13所示，其勵磁繞組稱為并勵繞組。由于并勵繞組承受著電樞兩端的全部電壓，其值較高，為了減小它的銅損失，并勵繞組必須具有較大的電阻以減小勵磁電流。因此，并勵繞組的匝數(shù)較多，用較細(xì)的導(dǎo)線繞成。

3. 直流電機(jī)的起動、 調(diào)速和反轉(zhuǎn)

(1)直流電機(jī)的起動

將靜止不動的電機(jī)的電路與電源接通，使電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分旋轉(zhuǎn)起來，最后達(dá)到正常運轉(zhuǎn)，稱為電機(jī)的起動。如果不用任何起動設(shè)備而是將電機(jī)直接連接至電源，這種起動方法稱為直接起動，其起動電流很大。當(dāng)電機(jī)剛與電源接通時電樞還沒有旋轉(zhuǎn)，因此反電動勢等于零，此時通過電樞的電流（即起動電流）應(yīng)為

式中，Iq為起動電流(A); U 為起動電壓(V); Ef為反電動勢(V)；Rs為電樞內(nèi)阻。電樞內(nèi)電阻很小，外加電壓又是額定值，電機(jī)在直接起動時的電樞電流將比額定電流大十幾倍，甚至幾百倍。這樣大的電流會使換向器上產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花，可能把換向器燒壞。因此，起動時必須在電樞電路中串聯(lián)一個起動變阻器來減小起動電流，如圖5-14所示。為了獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩而又不至于使換向器受到損傷，通常把起動電流限制為電樞額定電流的1. 5 ~ 2. 5倍。

在起動過程中，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電樞電流逐漸減少，起動電阻也應(yīng)逐步減小。待電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時，起動電阻應(yīng)減小到零。

此外，在起動時，還應(yīng)把勵磁電路中的磁場變阻器，放在電阻最小的位置，以使磁通最大，這樣，就可使電機(jī)產(chǎn)生足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，并使反電動勢增加較快，以縮短起動過程。

(2)直流電機(jī)的調(diào)速

由并勵直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種調(diào)節(jié)方法：

1)改變供電線路的電壓U。這種方法的調(diào)速范圍很廣泛，但必須有專用的直流電源。采用發(fā)電機(jī)—電動機(jī)組以及可控硅整流電路都能得到可調(diào)節(jié)的電壓。

2)改變電樞線路的電壓降。如圖5-15所示，在電樞電路中串聯(lián)一個調(diào)速變阻器Rq 可降低加在電樞上的電壓。當(dāng)把Rq 增大，則電阻電壓降增大，轉(zhuǎn)速下降。這種方法電樞電流較大，使得調(diào)速變阻器本身要消耗大最的功率，因而不經(jīng)濟(jì)。

3)改變磁極磁通。在勵磁電路中串接一磁場變阻器可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖5-16所示。如把磁場變阻器的阻值增加，則勵磁電流減小，磁通也隨之而減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速便升高。通常勵磁電路中的電流很小，在調(diào)速過程中磁場變阻器的能量損失也較小，比較經(jīng)濟(jì)，因而這種調(diào)速方法在電力系統(tǒng)中應(yīng)用甚廣。

如果串勵電機(jī)也采用改變磁通的方法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，則磁場變阻器必須與串勵繞組并聯(lián)，如圖5-17所示。當(dāng)把磁場變阻器的阻值減小時，通過變阻器的電流增大，而通過串勵繞組的電流減小，其所產(chǎn)生的磁通也隨著減小，轉(zhuǎn)速升高。

(3)直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是由電樞繞組的導(dǎo)體在磁場中的受力方向決定的。改變電樞電流的方向或者改變磁場電流的方向，便可使直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。具體方法是，將連接于電源上的電樞兩端反接，或者將勵磁繞組兩端反接。如圖5-18所示，如果同時改變兩電流的方向，則旋轉(zhuǎn)方向仍舊不變。

5.2. 4 直流電機(jī)的特點

直流電機(jī)中，影響轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的電磁力可根據(jù)左手定則進(jìn)行判斷，因為直流電機(jī)的驅(qū)動裝置很簡單，所以在早期的電動汽車以及期望獲得更簡單的結(jié)構(gòu)的電動汽車中都有應(yīng)用。

在電動汽車中作驅(qū)動用的直流電機(jī)有如下特征：

1) 通過對電樞電流的控制，可以非常簡單地實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的線性和高速控制。

2) 通過改變勵磁繞組的電流，可以很容易實現(xiàn)弱磁，從而使高速運行也變得簡單可行。

3) 串勵電機(jī)在低速時可自動地獲得大轉(zhuǎn)矩。

但是，直流電機(jī)也存在一些問題，例如，由于存在電刷、換向器等易磨損器件，必須定期對其進(jìn)行維護(hù)和更換，并且限千轉(zhuǎn)子電樞的結(jié)構(gòu)，直流電機(jī)不適合用千高速旋轉(zhuǎn)的情況等，與其他類型的電機(jī)相比，直流電機(jī)一般體積比較大。因此，目前除了在小型汽車中廣泛使用外，在其他汽車的使用中，交流電機(jī)正日益取代直流電機(jī)。

小功率(0. 1 ~ lOkW)的電機(jī)采用的是小型高效率的永磁無刷直流電機(jī)，可以應(yīng)用在小型、低速的搬運設(shè)備上。例如，在動力輔助電動自行車、休閑用電動汽車、供步行困難者使用的電動三輪或四輪汽車、輪椅中使用的動力輔助裝置、高爾夫球車、叉式升降機(jī)以及小型汽車等中都有實際應(yīng)用。尤其是在以輕型化為目的的電動機(jī)中，采用了稀土類磁鐵。

中等功率(10 ~ lOOkW)的直流電機(jī)中采用了他勵、復(fù)勵以及串勵電機(jī)。此電機(jī)有在配送用的電動汽車等中實際應(yīng)用的例子。

大功率的直流電機(jī)沿用以前的電車技術(shù)，采用了串勵電機(jī)。例如，在要求低速、高轉(zhuǎn)矩的礦石搬運電動車中，采用的是功率為278kW的串勵電機(jī)。但在此場合利用發(fā)動機(jī)的發(fā)電機(jī)作為電源，就沒有回收制動時所耗能量的功能。因為串勵電機(jī)具有適合于電動汽車的轉(zhuǎn)矩 特性，所以適用于要求簡單且頻繁加減速的運行和驅(qū)動。

電動汽車專用的直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和一般的直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)沒有顯著的差別，同一般工業(yè)用的電機(jī)相比，有以下特點：

1) 電樞軸要延長，以便安裝用于速度檢測的脈沖發(fā)生器和推力軸接頭。
2) 轉(zhuǎn)子直徑要設(shè)計得小些，軸長要設(shè)計得長些以適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)。
3) 為了便于散熱，電樞槽要設(shè)計得多些。
4) 為了換向器、電刷等的定期檢查和維護(hù)，檢查口應(yīng)制造得大些。
5) 由于振動，為了防止電刷的誤動作，應(yīng)提高電刷的預(yù)壓緊力。6)和其他電動汽車用電機(jī)相同，短時功率（最大功率值）和額定功率應(yīng)記錄在銘牌上。電動汽車專用的直流電機(jī)和其他通用的電機(jī)相比，需要考慮的事項有耐高溫性、抗振動性、低損耗性、抗負(fù)載波動性等。此外，還有小型輕量化、免維護(hù)性等技術(shù)上的難題需解決。 

1)抗振動性。直流電機(jī)與其他電動汽車用電機(jī)相比，因為擁有較重的電樞，所以在路面凹凸不平時的車輛振動(3~5g)會影響到其軸承所承受的機(jī)械應(yīng)力，對于這個應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控和采取相應(yīng)的對策是很有必要的。同時，因為振動很容易影響到換向器和電刷的滑動接觸，所以也采取了提高電刷彈簧的預(yù)壓緊力等措施。

2)對環(huán)境的適應(yīng)性。鑒于直流電機(jī)在電動汽車中使用時與在室外使用時的環(huán)境大體相同，要求在設(shè)計中就灰塵和水分入侵等問題給予考慮，而且也要充分考慮散熱結(jié)構(gòu)。

3)低損耗性。為了延長一次充電續(xù)駛里程以及抑制電機(jī)溫度的上升，盡量保持低損耗和高效率成為直流電機(jī)的重要特性。近兒年，由于對稀土系列（鉆、欽、繃等）的永久磁體的研究開發(fā)，永磁無刷直流電機(jī)中的高效率化是很顯著的。

4)抗負(fù)載波動性。在市區(qū)和郊外行駛中，電機(jī)的負(fù)載條件多會有5倍左右的變動，因此有必要對額定條件的設(shè)定加以斟酌。在市區(qū)行駛中，由于交通信號以及其他狀況，起動、加速工況很多，不可避免地要經(jīng)常在瞬時功率（最大承受功率）情況下工作。此時，電刷的電火花和磨損非常劇烈，因此必須對換向極和補(bǔ)償線圈的設(shè)計給予重點關(guān)注。

在郊外行駛時，對于電機(jī)來說，其輸出轉(zhuǎn)矩比較低，在高速旋轉(zhuǎn)大輸出功率的情況下，一般說來要以較高效率的額定條件運行。然而，在直流電機(jī)中，在其高速旋轉(zhuǎn)的情況下，對換向器部分的機(jī)械應(yīng)力和換向條件的要求會變得很嚴(yán)格。為了避免這種情況，在大型搬運用的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，大多設(shè)置變速器以達(dá)到提高起動轉(zhuǎn)矩的目的。

5)小型輕量化。由于要釋放被限制的車載空間以及減輕車身總重量，小型輕量化成為設(shè)計中的最大問題。而直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分中含有較大比例的銅，即電樞繞組和銅制的換向器，因此與其他類型的電機(jī)相比，直流電機(jī)的小型輕量化更難實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^采用高磁導(dǎo)率、低損耗的電磁鋼板減少磁性負(fù)載，雖然這增加了成本，但可以實現(xiàn)輕量化。

6)免維護(hù)性。不管怎么說，對電刷的更換和對換向器片的維護(hù)是必需的。關(guān)于電刷，雖然有連續(xù)長時間使用達(dá)一萬小時的報告，但由于負(fù)載情況和運動速度等使用條件的不同，更換時間和維修作業(yè)的次數(shù)也是不同的。解決的辦法是，采用不損傷換向器片材質(zhì)的電刷，以及將檢查端口制造得大些，以便于檢查、維修等。

除此之外，電動汽車用直流電機(jī)大多在較低的電壓下驅(qū)動，同時是大電流電路，因此需要注意連接線的接觸電阻。

本文摘編自《新能源汽車技術(shù)概論》，機(jī)械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

本書可作為汽車工程類應(yīng)用型本科及高職高專院校的教材；也可作為汽車工程技術(shù)人員、新能源汽車培訓(xùn)教師參考用書；同時適合廣大對新能源汽車技術(shù)關(guān)注的社會人士閱讀。

本書由廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院李艷菲、鄭偉編著。在本書的編寫過程中，編著者做了大量考察研究，參閱引用了一些參考文獻(xiàn)中的內(nèi)容，在此向相關(guān)資料的作者致以誠摯的謝意。