42号车库
首发于42号车库
永磁同步?交流异步?不都是电机吗?

永磁同步?交流异步?不都是电机吗?

作者:六三(42号车库)

2018 年快结束了,周围购买电动汽车的朋友也越来越多,听说起朋友买了辆电动汽车,大家问的第一个问题可能就是:“你这个车能跑多远啊?”,往深了聊可能会问:“你这个车用的是什么电池呀?多大的电池呀?”,而如果有朋友买了辆油车,大家可能问的是:“你这个车多大排量的?几个缸啊?带涡轮增压吗?”。

这就是电动车与汽油车的区别,一台电车大家可能更关注电池技术(续航),一台油车大家可能关注发动机技术多一些。

但电车的电机种类也影响着整车的续航水平,今天我们就来关心一下电动车的动力系统,带大家了解一下电动汽车上常见的几种电机及它们都有什么特点,它们是怎么将电能转化为机械能。

说电机之前需要给大家科普两个知识点,一个是电磁感应现象,原理是闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时,在导体上就会产生电流的现象。一个是奥斯特实验,现象是通电导线周围存在磁场。说人话就是磁可以生电,电也可以生磁,知道了这两点我们就可以开始聊电机了。

电动汽车上采用的驱动电机大概有四种,分别为直流电动机,永磁同步电机,交流异步电机(感应电机),开关磁阻电机。其中直流电机基本快被淘汰了,就不过多赘述了,开关磁阻电机有不错的特性,但也有硬伤(振动噪音大),所以还没有广泛应用在常见的电动汽车上。目前最常见的就是永磁同步电机和交流异步电机。

交流异步电机

先来说交流异步电机,交流异步电机也叫感应电机,最主要的组成部件有两个,一个是定子,一个是转子。

定子铁芯装在机座中,一般由 0.35mm-0.5mm 厚的硅钢片叠压而成,有良好的导磁性能,定子铁芯的内圆上有分布均匀的槽口,这个槽口就是用来放定子绕组的,绕组就是大家看到电动机中非常密集的古铜色线圈,给线圈通电即能产生磁场(电生磁)。

不知道大家有没有做过这样一个实验,准备一根铁棒,别太粗,钉木板的铁钉就行,将漆包线均匀的缠绕在上面,然后将漆包线两头接上电源,别往插座里捅,会出事,干电池就行。通电后你会发现铁钉可以吸起大头针之类的铁质小玩意,铁钉一头为 S 极,一头为 N 极,至于哪头是 N,哪头是 S,由电流方向决定。

电动车汽车的电机通的是三相交流电,磁场的方向会随着电流方向的变化而变化,从而形成了旋转的磁场。

转子铁芯同样由 0.35mm-0.5mm 后的硅钢片叠压而成,外圆上均匀分布着槽孔,用来安放导电杆(绕组)。

好了说完了交流异步电机最重要的两个组成部件,我们再来看看它是怎么转起来的。

首先电池组中的直流电通过逆变器变为交流电,供给定子上的绕组线圈,产生旋转磁场,转子上的导电杆可以看做导线,这时候虽然导线是静止的,但是磁场是在旋转运动的,所以导线不由自主的在做切割磁感线的运动,转子导电杆中产生感应电动势,而转子导线杆又是闭合通路,导电杆中便有了电流产生(磁生电)。

看到这里是不是一脸懵逼,转子不是要转吗?怎么感觉还发上电了?别慌,正是载流的转子导体在定子旋转磁场的作用下产生的电磁力驱动电机旋转,这个电磁力略微抽象,在这里不展开说了,大家只要知道是这个力使转子转起的就行了,而且旋转方向与定子磁场旋转方向相同。

交流异步电机就是这样将电能转化为了机械能。

电机转子旋转的速度与磁场旋转的速度有个有个转速差,转子的转速是一直追着磁场的旋转速度的,这也是其名:交流异步电机中异步之处。

想要控制交流异步电机的旋转速度,只需要改变交流电的频率即可改变定子磁场旋转的速度,达到控制电机转速的目的。倒车也不需要额外的倒挡齿轮,只需要改变电源相位的顺序即可实现。虽然看上去很简单,但逆变器在其中默默付出了很多。

永磁同步电机

永磁同步电机在结构上与交流异步电机非常相似,最主要的组成部件同样是定子和转子,其中定子的结构与交流异步电机上的一致,但转子由一块永磁体构成。

永磁同步电机想要转起来就非常简单了,定子上旋转的磁场吸着转子上的恒定磁场就转起来了(同性相斥异性相吸),旋转速度与磁场旋转速度一致。

(图简单画了其中一部分,让大家好理解一些,实际内部结构相对复杂)

总结一下这两种电机的优劣势。

交流异步电机优势:

  • 可靠性好
  • 高转速性能好
  • 成本易控

劣势:

  • 功率密度低(同功率水平下个头大)
  • 能量转换效率较低(约 85%-90%)
  • 能耗较高(费电)

永磁同步电机优势:

  • 功率密度高
  • 能量转换效率高(约 90%-95%)
  • 能耗较低

劣势:

  • 由于永磁体的加入,提高了成本
  • 永磁体在高温、震动环境下有退磁的风险

现阶段电动汽车超过 90% 均采用交流异步电机或永磁同步电机,因为同等功率下永磁同步电机体积更小,效率更高,得到更多车企的青睐。虽然永磁体高温下有退磁风险,但似乎一些车企已经克服了这个问题。

例如即将在国内交付的特斯拉 Model 3 上采用的电机也从 Model S 上的交流异步变为永磁同步,能够做到 3.5 秒的百公里加速成绩,最高车速超过了 200km/h,国内的比亚迪全新一代唐同样采用了永磁同步电机,百公里加速做到了 4.4 秒,最高车速也达到了 180 km/h。在没有重大技术突破的前提下,永磁同步电机未来将会成为更多车企动力系统的首选。

虽然电动汽车的动力系统壁垒没有燃油车高,种类也相对单一,但这两种电机都需要算法非常厉害的电控系统来操控,才能做到优秀的电耗和车辆线性的加速,而且电控系统的背后需要足够的电池功率,才能做到随心所欲的提速,所以电动汽车的电机、电控、电池是紧密联系相辅相成的,三电的水平也是一辆电动汽车的精髓之一。

编辑于 2018-11-30

文章被以下专栏收录