文 | 曾游
編輯 | 曾游
前言
電磁感應原理是根據法拉第電磁感應定律，當閉合線圈中的磁通量發生變化時，會在線圈中產生感應電動勢，利用這一原理，電動發動機通過與磁場相互作用產生電流，從而產生機械運動。
能量轉換原理是在電動發動機中，通過將電能轉化為機械能來實現動力輸出，電能被輸送到發動機中，通過磁場的變化和電流的流動，將電能轉化為機械能，推動轉子旋轉，從而實現動力輸出。
按電力類型分類有直流電動機是通過直流電源供電，根據磁場形成方式分為永磁直流電動機和勵磁直流電動機， 交流電動機是通過交流電源供電，根據轉子類型分為非同步電動機和同步電動機，按轉子類型分類有常規轉子，通過傳統的導體繞組構成。
永磁體轉子是將永磁體作為轉子，適用於高性能應用，開槽轉子是通過轉子槽槽道內的導體，提高轉子傳導能力和散熱特性。
汽車領域是包括電動汽車、混合動力汽車和電動輔助系統等， 工業設備領域是包括電動工具、機床和電動傳動系統等， 家用電器領域是包括洗衣機、冰箱和空調等。
電動發動機的基本工作原理和分類是了解和應用電動技術的基礎，通過深入理解電磁感應原理和能量轉換原理，以及根據不同參數和構造特點將電動發動機進行分類，可以更好地選擇和應用適合的電動發動機，推動電動技術的發展和應用。
電動發動機的結構與特性分析
定子是包括定子鐵芯和繞組，承擔產生磁場的作用，轉子是由導體或永磁體組成，通過與定子磁場相互作用而轉動，軸承系統是支撐、定位轉子和減少摩擦，端蓋和風扇是保護電動發動機內部部件，並進行散熱。
額定功率是電動發動機的額定輸出功率能力， 額定轉速是轉子在額定工作條件下的旋轉速度， 額定電壓和額定電流是電動發動機操作所需的電源電壓和電流， 效率是電能轉換為機械能的能力，通常以百分比表示。
冷卻系統是電動發動機在工作過程中會產生熱量，冷卻系統影響發動機的散熱效果和使用壽命，轉矩和轉速特性是電動發動機在不同負載下的轉矩輸出和轉速變化情況， 磁場控制是由控制電流或永磁體強度控制發動機的轉矩和速度。
結構和特性分析是理解和應用電動技術的基礎，通過深入了解電動發動機的構成、參數和影響因素，可以優化電機設計和控制，充分發揮電動技術在各個領域的優勢，推動清潔能源的應用和可持續發展的實現。
電動發動機的控制與驅動系統
控制與驅動系統是實現電動技術的核心組成部分，它可以提供高效、精確和可靠的驅動力，並通過合理的控制方法實現電機的優化性能，了解電動發動機的控制方法和驅動系統對於電動技術的應用和創新至關重要。
直接轉矩控制是DTC通過測量電流和電動勢等參數，直接控制電動機的輸出轉矩和轉速，適用於高性能要求的應用。
VC通過控制電動機的電流和電壓，實現對電機磁場和轉矩的獨立控制，有較高的精度和控制能力，適用於需要精確控制的應用。
感應電動機控制是IMC是通過調節感應電動機的電源電壓和頻率，控制電機的轉速和轉矩，它具有簡單可靠和成本低廉的優點，適用於大部分家用和工業設備應用。
電機控制器是電動發動機驅動系統的核心部件，控制電機的轉速和轉矩，它通常包括微處理器、功率電子器件和通信介面等，具有智能化和高可靠性的特點。
功率電子器件是功率電子器件主要用於實現電機的電流、電壓和頻率的調節和轉換，包括IGBT、MOSFET和功率模塊等，它們具有高效率、高可靠性和低損耗的特點，為電機驅動系統提供了穩定的電力支持。
用於測量電機的轉速、轉矩、溫度和位置等參數，為電機控制系統提供反饋信號，實現閉環控制，常見的感測器包括編碼器、霍爾效應感測器和溫度感測器等。
電動發動機的效率與能量管理
隨著電動技術的快速發展，提高電動發動機的效率和實現有效的能量管理可以顯著提升電動車輛和工業設備的性能和可持續發展能力。
優化設計是通過合理的電機設計和優化磁路結構，可以減少電機的能量損耗，提高電機的效率，採用高效的電機設計和優化的電磁材料可以降低電機的鐵損耗和銅損耗。
先進控制技術是使用先進的控制演算法和技術，例如矢量控制和直接轉矩控制，可以實現對電機轉矩和轉速的精確控制，提高電機的整體效率。
高效功率電子器件是選擇高效的功率電子器件，例如硅碳化物和氮化鎵器件，可以減少電氣轉換過程中的損耗，提高電機的效率。
智能能量管理系統 是採用智能能量管理系統可以實現對電動發動機的精確控制和優化調度，該系統可以根據電池的狀態和負載需求，動態調整電機的功率輸出和能量分配，以實現最佳性能和能耗平衡。
能量回收技術是電動發動機能夠通過能量回收技術將制動能量轉化為電能儲存起來，以供後續使用，通過回收和再利用制動能量，可以提高整體能量利用率，減少能量浪費。
綜合能量管理策略是綜合考慮電池管理、動力系統調度和能量優化等因素，制定綜合能量管理策略，可以實現電動發動機的高效能量利用和最佳性能輸出。
效率和能量管理對於電動車輛和工業設備的性能和可持續發展至關重要，提高電動發動機的效率和實現有效的能量管理，推動電動技術的發展和應用。
電動發動機的雜訊與振動控制
雜訊和振動問題日益受到關注，降低電動發動機的雜訊和振動是，提高電動車輛和工業設備使用質量和人員工作環境的重要任務。
電機結構振動是電動發動機內部結構的不平衡、磨損和鬆動等問題會導致機械振動，進而產生雜訊和振動，磁場變化雜訊是電動發動機中的電流變化和磁場變化，會引起磁力和力矩的不穩定，導致雜訊和振動的產生。
氣動雜訊是電動汽車中的空氣流動、風扇旋轉等因素會引起空氣動力學雜訊，增加雜訊和振動水平，雜訊隔離是通過合理設計隔音材料和隔板等，對電動發動機進行聲學隔離，減少雜訊傳遞和擴散，降低雜訊水平。
振動補償是利用主動振動控制技術，例如反饋控制或振動補償器件，對電動發動機的振動進行實時監測和補償，降低振動水平， 結構優化是通過優化電機的設計和結構參數，降低不平衡、磨損和鬆動等因素對振動和雜訊的影響，提高整體工作效率和穩定性。
雜訊和振動控制是電動車輛和工業設備使用質量和人員工作環境的重要因素，通過雜訊隔離、振動補償和結構優化等控制方法，可以有效降低電動發動機的雜訊和振動水平，提高使用體驗和工作環境的舒適度。
電動發動機的溫度與冷卻技術
電動發動機的溫度管理變得日益重要，妥善解決電動發動機的溫度問題，不僅能提高電動車輛和工業設備的安全性和可靠性，還能確保其性能和壽命。
高功率輸出會導致電流通過繞組，產生焦耳熱，進而提高溫度，電動發動機內部各部件之間的摩擦會產生熱量，增加溫度，電動發動機的使用環境溫度也會對其溫度產生影響。
通過循環冷卻液，將其流經電動發動機內部的散熱器，吸收熱量並帶走，以降低溫度，利用風扇或渦輪等輔助設備，將外部空氣引導至電動發動機散熱部分，進行直接冷卻，通過使用熱管接觸電動發動機的熱點區域，並將熱量傳導至散熱器來進行散熱。
根據不同的應用場景和需求，選擇適合的冷卻技術，優化散熱系統的設計，提高散熱效率，計算和控制電動發動機的溫度，以保持在安全可靠的工作範圍內。
溫度管理是確保其安全性、可靠性和性能的關鍵，利用液冷、氣冷和熱管散熱等冷卻技術，可以有效控制電動發動機的溫度，延長其使用壽命，並提升其性能。
電動發動機的故障診斷與維護
電動發動機作為電動車輛和工業設備的關鍵組成部分，其故障會給生產和使用帶來嚴重影響，及時發現故障、準確診斷和採取有效的維護措施，是確保電動發動機穩定運行的關鍵。
電路故障是包括電纜連接不良、短路、開路等問題，可能導致電動發動機無法正常工作， 電動機故障是如繞組斷線、絕緣老化等問題，可能導致電動發動機輸出功率降低或不能正常工作。
傳動系統故障是如軸承損壞、齒輪磨損等問題，可能導致電動發動機噪音增大或傳動效率降低。
觀察法是通過觀察電動發動機的運行狀態、噪音和振動等表現，初步判斷故障可能存在的位置，對電動發動機進行全面測試，定位故障點軟體診斷法是利用專業軟體和系統，對電動發動機進行在線監測和故障診斷，實時獲取故障信息。
定期檢查是定期檢查電動發動機的電纜連接、絕緣狀態和傳動系統的磨損情況，及時發現故障點，清潔和潤滑，定期清潔電動發動機外表和散熱部件，確保散熱效果良好，同時潤滑傳動系統，減少摩擦損耗。
維修和更換是根據故障診斷結果，採取相應的維修措施修複電動發動機，必要時更換損壞的零部件。
它的故障診斷和維護是確保其正常運行和延長使用壽命的關鍵，通過了解常見故障的原因和表現，採用觀察法、測試儀器法和軟體診斷法等方法進行故障診斷，同時定期檢查、清潔、潤滑和維修維護電動發動機，可以確保其穩定運行和性能優化。
結論
電動發動機的效率是衡量其能量轉換效率的重要指標，高效率能夠減少能耗和提高續航里程，轉矩密度是指電動發動機在單位體積或單位重量下能產生的最大轉矩，高轉矩密度可以提升動力性能。
啟動性能包括起動時間和起動能力，優秀的啟動性能可以提供更強的加速性能和穩定的駕駛體驗。
通過在實驗台架或實際工作條件下進行測試，測量電動發動機的功率輸出、轉速、轉矩等參數，評估其性能表現，利用計算機輔助工程軟體進行電動發動機的模擬模擬，根據構建的模型預測其性能和工作特性。
結合不同性能指標，採用綜合評估模型對電動發動機進行綜合評價，綜合考慮各項指標的權重和重要性。
通過改善電動發動機的磁路結構和磁場分布，提高磁通密度和磁場均勻性，從而提高效率和轉矩密度，優化電動發動機的繞組設計，減小電阻和損耗，提高能量轉換效率和功率密度，優化電動發動機的控制演算法和參數設置，使其更加適應實際工況，實現最佳性能和能耗平衡。
電動發動機的性能評估和優化設計是確保其高效、可靠工作的關鍵，通過評估關鍵的性能指標、採用實驗測試、模擬模擬和綜合指標方法進行評估，同時採取磁路優化、繞組優化和控制策略優化等設計策略進行優化，可以滿足電動車輛和工業設備的需求。
參考文獻
- Li, Y., Chen, H., Hu, X., & Zhu, X. (2021). "A review of electric motor control for electric vehicle applications." Applied Energy, 282, 116074.
- Wu, Q., Yu, Q., Li, Y., & Kang, Z. (2020). "Design and optimization of a high-efficiency brushless DC motor for electric vehicles." IEEE Transactions on Transportation Electrification, 6(4), 1213-1222.
- Tang, H., Cheng, M., Zhang, J., & Sun, C. (2019). "Dynamic modeling and parameter identification of a permanent magnet synchronous motor for electric vehicle applications." Energy Conversion and Management, 181, 995-1004.
- Wang, J., Zhang, R., & Zheng, N. (2018). "Design and control of a novel axial flux permanent magnet brushless DC motor for electric vehicle applications." IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65(5), 4106-4115.
- Zhou, X., Li, S., Yang, C., & Wang, X. (2017). "Design and analysis of a novel integrated starter-generator for hybrid electric vehicles." IEEE Transactions on Power Electronics, 32(1), 375-388.
