汽车电气化的最新阶段正在改变全球交通。似乎新的电机技术几乎每天都是在急切的营销努力的推动下发明的。用于直接推进、变速器内部或直接驱动车轮/车轴的每个EV电机都可以追溯到现有的电机技术。
交流电机、直流电机、永磁电机、内部永磁电机、同步电机、异步电机、感应电机、磁阻电机、轴向磁通电机、横向磁通电机以及这些知名技术的任何组合都用于电动汽车。甚至有新的组合名称在寻求差异化的过程中出现。什么都没有真正改变。所有这些电机技术都是在50-年前发明的。
改变的是制造方法、使用的材料、在某些应用条件下优化性能的控制方法以及转换功率和控制电动机的控制系统。这些新方法使现有电机技术能够用作电机和发电机。
要真正了解电动汽车中使用的电动机的要求，我们首先需要回到涵盖一些术语。
电动机是一种机电功率转换器，它以电流和电压的形式获取电功率，并将其转换为扭矩和速度的机械功率。
逆变器是一种电力转换器，它以不同的频率将直流电转换为交流电，或将交流电转换为直流电，或将交流电转换为交流电。
电池是以电流和电压的形式储存的电能的来源。
内燃发动机（柴油或燃气）是一种功率转换器，将燃料和空气转换为扭矩和速度形式的机械功率。
功率控制模块是一种计算机，用于控制燃油、空气和点火，为内燃机产生扭矩和速度。注：在计算机出现之前，被动系统是用来通过人机界面控制内燃机的。
燃料是一种储存能量的可燃液体。当与空气混合并点燃时，它以热和压力的形式产生能量。
电动机也可以用作具有适当电子控制的发电机。这些机器可以用来发电、给电池充电，并提供电磁阻力来帮助车辆减速。
混合动力电动汽车包含一个系统，该系统包括上述所有项目，并在适当的时候和地点使用它们。它的范围仅限于电池和燃料中储存的能量的组合。基于电池技术和内燃机（ICE）附带的发电机功能，它的峰值功率受到限制。
电池电动汽车仅包含作为能源的电池。它有一个或多个电动机和相应的逆变器。它在电池中可用存储能量的范围内是有限的。基于所使用的电池技术，它的峰值功率是有限的。
储能与效率
车辆的续航里程取决于存储的能量量和存储能量耗尽的速度。在典型的内燃机燃料动力汽车中，75升燃料可以产生千瓦时的能量。对于公斤的车辆，这可能会导致公里的续航里程。这相当于0.66千瓦时/公里。
具有千瓦时电池的相同重量和尺寸的电池电动汽车的续航里程可能为公里。这导致0.22Kwh/Km。区别在于电动传动系统的效率可以在80%范围内，而燃油车则在20%范围内。
以上数字是通用的，旨在显示基本比较。总是有例外和极端情况。
电池使用/储存
电池技术正在进步，尽管速度很慢。最新的化学和物理成分正在适应所需的新形式。最常见的主题是设计电池组，以便它们可以放置在车辆的低处并降低重心。
最新的电池技术需要电气和热管理系统。这使许多电动汽车复杂化。电池组由许多独立的电池组成。电池在生产过程中不平衡，电压和阻抗因单元而异。在充电期间和使用期间，温度可能会有很大差异，因为某些电池过度充电而另一些电池充电不足。
电动机驱动系统
对于此讨论，驱动系统是连接在一起的一系列功率转换器，不包括能源。电动机驱动系统从逆变器开始，该逆变器以电流和电压的形式将能源转换为电能。电力流向电动机，电动机以旋转扭矩和速度的形式将电力转换为机械动力。电动机的输出为传动系供电，传动系修改机械动力并将该动力转换为车轮。然后，车轮将旋转动力转换为移动车辆的动能。
电动机驱动系统可用于任何类型的能源。电动汽车最常见的来源是电池。然而，随着时间的推移，燃料电池作为一种能源突然出现。燃料、ICE和发电机也可以是这种电力来源。系列混合动力汽车采用这种策略，其中燃料和内燃机用作发电厂，所有推进都由电力驱动系统完成。并联混合动力汽车将内燃机动力和电动机动力组合在传动系统上。
电动汽车专用电动机
当今电动汽车中使用最广泛的电动机在设计上被认为是同步永磁机（又名无刷直流）。为了使用最新的控制系统实现广泛的速度范围并减少磁铁材料的体积，磁铁通常嵌入到旋转转子轴的铁结构中。这通常被称为内部永磁体或嵌入式永磁体结构。由于其永磁结构，这种类型的电机可以很好地用作电机和发电机。
有一些电动汽车仍然使用异步电机（又名交流感应电机）。年代的电动汽车开始使用异步电机，因为它们具有天生的磁场弱化能力，可提供非常宽的速度范围。最大的汽车电动汽车制造商今天仍在使用异步电机。关于异步电机与同步永磁电机的优势存在争议。异步电动机在其工作范围内效率较低，用于发电时效率较低，它们也更重、更大。另一方面，它们不包含目前受到供应链问题困扰的磁铁和在某些*治挑战地区开采的原材料。可用性可能会在未来十年内抵消效率。
早期的电动汽车使用带刷子的直流电机，大约在1年，当时所有车辆的1/是BEV。电动汽车是为精英服务的，是受欢迎的城市车辆。使用了两个版本，现场绕线直流和永磁直流。励绕直流电机至今仍在许多高尔夫球车和叉车中使用，具有自然磁场弱化特性，可提供宽速度范围和高启动扭矩。
什么是同步永磁体电动机？
同步永磁电机通常由电磁铁定子和永磁转子组成。定子是一个源自电机固定部分的术语。转子是电机的旋转部分。三个电相缠绕在定子周围，产生可以改变极性的电磁铁。转子由特定数量的磁铁或磁极组成，以产生所需的运行速度范围。
每个电相通常由缠绕在铁定子齿上的铜线组成。这些定子电磁铁的极性根据逆变器而变化。在传统电机中，转子在定子内旋转，但在某些情况下，转子可能在定子附近或定子外部旋转。
当转子磁场与定子电磁场正确对齐时，会产生扭矩。为了在转子开始旋转时保持扭矩施加，逆变器会改变定子相位以始终引导转子并使其旋转。这种现象称为换向。转子上的内部或外部传感器向逆变器提供信息，使其能够换向相位，以保持最佳磁场对齐。在完美对准时，可以产生最大扭矩，并且通常是定子相电流幅度的函数。
在转子内部安装磁铁可以使用最少量的磁铁材料。它还在转子铁芯中产生突出的极点，并根据与定子磁场的相互作用产生带角度的磁阻转矩。后者允许磁场弱化，这是一种在不牺牲低速扭矩输出的情况下增加电机速度范围的方法。内部永磁体拓扑结构还可以机械地保留磁体，适合高速运行。
添加磁铁和通过在某些地方添加更多磁铁来优化扭矩或弱磁等来塑造转子的方法有很多。在下面的图1中，外壳和轴已被拆除。任何电机的核心电磁部件都是其转子和定子。定子是一个通用术语，包含线圈和电磁铁。在这种情况下，转子在定子内部旋转，包含永磁体。
下面的图1显示了同步永磁电机的横截面。该电机的配置被认为是径向气隙电机或径向磁通电机。它是迄今为止使用最广泛的。
如介绍中所述，目前在电动汽车中使用的这些电机有许多电机类型。轴向磁通电机最近受到了很多压力。在某些情况下，轴向磁通电机的扭矩输出可能高于径向磁通电机。轴向电机也是同步永磁电机。与图1所示的径向相比，磁通路径是轴向的。轴向磁通电机也可以有内部永磁体。轴向磁通电机的优点是能够在一个轴上堆叠多个产生扭矩的有源电机。缺点是热量向外界的热传导。
电动机制造技术与改进
多年来，电机制造一直是一个劳动密集型过程。某些永磁同步电机存在一些自动绕线机，但许多电机仍然包括安装相绕组的劳动密集型过程。
最近的一项发展是发夹式定子绕组。这种方法使用较少的粗线插入电机定子插槽，已经变得非常自动化。几乎所有的汽车电机都在使用它或将其作为一种低成本的高性能技术。下面是带发夹绕组的汽车交流发电机定子与带手动填充绕组的类似定子的比较。
为了利用发夹绕组技术，定子设计已更改为具有更多齿数，每个齿中都有少量导线。这使得电机结构更加高效，并允许自动绕线技术。
早期的同步永磁电机使用带有永磁转子的异步电机定子（如右侧的定子）。在短时间内，机器绕组迫使定子齿的数量减少，以允许针绕组。这已迅速转变为增加定子齿，以减少每个齿上的线圈匝数并允许发夹绕组技术。
发夹绕组插入每个齿之间并焊接在电机后部。可以利用粗矩形电磁线进行成型，以优化电机填充，而无需将电线塞入插槽中。
转子在结构上也变得更加简单。大多数同步永磁电机在转子外部（如果电机是外部旋转结构，则在转子内部）具有表面安装的永磁体。今天，使用最少量的磁铁材料并将其插入转子铁芯深处，在钢表面形成磁极。
磁场定向控制/正弦控制
到目前为止，电动机操作方面的最大进步来自逆变器/电机控制器方面。更可靠的MOSFET和IGBT晶体管（以及其他新技术）已经可用，尺寸更小，损耗更低。处理器和DSP允许进行大量高速计算和更好的更快控制执行。
磁场定向控制（FOC）是经典的异步电机理论，通过将固定相电流转换为旋转框架来解耦扭矩和磁通。当应用于带有内部永磁体的同步永磁电机时，它可以使它们在基本速度以上运行。该过程涉及通过使用转子传感器控制电机中的直流和正交电流，并磁场减弱转子磁场以提高速度。
在交流感应或异步电动机中，转子磁场由定子磁场感应，并由转子中的导体移动。转子轴的位置并不总是与气隙中的磁场对齐。间接FOC使用软件估算器算法来预测实际转子磁场的位置，并使用它来优化转子和定子之间的相位角。随着速度的增加，异步电机自然会减弱磁场，从而产生恒定的功率输出和非常高的速度。同步PM内部电磁电机的FOC控制试图模拟异步电机的自然控制。