7000字搞懂「电动机」是如何驱动汽车的?

7000字搞懂「电动机」是如何驱动汽车的?

相比传统的「燃油车」,对「纯电汽车」而言最为突出的变化就是所谓的「三电」:「电动机」、「电池组」和「电控系统」。今天我就用一篇长文带大家彻底搞懂「纯电汽车」的「电动机」。

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本文目录

1. 由「上下运动」转为「旋转运动」

2. 「电动机」的基本原理

3. 两类常用的「电动机」

4. 已被『封神』的尼古拉·特斯拉

5. 「交流电动机」的基本构成

6. 「异步交流电动机」的工作原理

7. 「三相异步交流电动机」的工作原理

8. 「交流电动机」的特点

9. 「同步电动机」的基本构造

10. 「永磁同步电动机」的工作原理

11. 「永磁同步电动机」的特点

12. 暂告一段落

由「上下运动」转为「旋转运动」

记得几年前,还有不少的自媒体会将「燃油汽车」与「电动汽车」作对比,比如在零百加速、最大功率和最大扭矩等方面,以此突显「电动汽车」可以秒杀「燃油汽车」……

特斯拉(双电动机)vs法拉利(V8架构发动机)(数据源自汽车之家)

对于自媒体这种『略耍流氓』的对比行为,现在看来还有几分怀念。但随着大家对两类汽车「驱动系统」的逐步了解,大家也渐渐体会到两者各有优劣。相信驾驶过非40万元以上「纯电汽车」的车主,都会有这样的感觉:

论起步,20万元左右的「电动汽车」(以「电动机」起步)可以称霸一时;但论60km/h~100km/h的中后段加速,「电动汽车」似乎就开始『软』了。
「燃油汽车」的「四冲程」发动机工作原理

大部分「燃油汽车」的「发动机」是通过在「气缸」中点燃汽油产生热(爆炸),推动「活塞」做「四冲程」的上下运动,又通过「曲柄连杆」转换为旋转运动,形成驱动汽车的动力。换言之,「发动机」与古老的「蒸汽机」一样,将热能转换成机械能。

燃油发动机转速(RPM)与使用效率(EFFICIENCY)的关系

其结构的优缺点,相信大部分略懂汽车的朋友都能道出几点。而其中让工程师最头疼的缺陷在于:「发动机」仅在有限的「转速」范围内,才可以产生可用的「扭矩」和「功率」。也就是说,如果汽车只有一个档位(只有手动挡的一档),那么无论你怎么踩油门,让「发动机」如何疯转,汽车在达到一定的速度后(一般不会超过20km/h),都不会再提速了。

占用发动机舱大量空间的各类变速箱

这一点就带来很多后续的麻烦:

1. 必须将「发动机」保持在最佳「转速」范围内;

2. 故此必须配备一个变速装置,来调节「发动机」输出的动力;

3. 「发动机」在能源使用「效率」上很低(小于42%)……

通用汽车交流异步电动机构造

而反观「电动汽车」的「电动机」,仿佛一切都简单了,因为:

1. 我们不必再担心「发动机」在做「上下运动」转换为「旋转运动」白白浪费能量。因为「电动机」的「转子」本来就做「旋转运动」;

2. 我们不必再担心能源使用「效率」。因为「电动机」在任何转速下,都能保持90%左右的能源使用「效率」;

3. 我们不必再担心……

但在我们详解「电动机」的优势前,还是有必要先了解一下「电动机」的原理。

「电动机」的基本原理

为了清晰地说明「电动机」的原理,我们先从一个小小的实验开始:

先来看几个小图示,我们将一根电线看做一个桶,而在桶中流动的「电流」比作一支弓箭,当「电流」的方向穿入纸面时,我们看到的是箭尾的羽毛划出的『十字』;反之,当「电流」的方向穿出纸面时,我们看到的是箭头,即是一个点。

这是一张最简单的(带电「线圈」)电路图,其中有我们实验需要使用的一根「导线」,还要一个「电源」(此处为一节干电池)。当我们从截面观察「导线」两侧时,「电流」的方向分别是箭头(左侧)和箭尾(右侧)。同时也要注意上图中「线圈」两侧的颜色,左侧的为蓝色,右侧的为红色。

当我们将这个「线圈」放入一个由两块吸铁石(「永磁体」)所构成的「磁场」中,于是有趣的事情发生了,根据「左手定理」:张开左手,让「磁感线」穿入手心,四指指向「电流」方向 ,那么大拇指的方向就是「线圈」两侧的受力方向。在上图中「线圈」左侧向上,右侧向下。在这种作用力下,「线圈」就开始『旋转』。

然而,「线圈」只能旋转90°,因为当「线圈」的两侧垂直于「磁场」时,由于力的方向仍然没变,「线圈」就『卡当』了,无法使其继续旋转。而有一种简单的办法让「线圈」保持旋转——在「线圈」的两侧垂直于「磁场」的瞬间断开「电源」!让「线圈」在「惯性」的作用下继续旋转90°。

当「线圈」从起始位置旋转180°后,我们需要改变「电流」的方向,让「线圈」继续旋转90°,接下来再断开「电源」让它走完最后的90°,这样「线圈」就完成一次360°的旋转。当你看懂了以上几张图,恭喜你,你已经了解「电动机」最基本的原理。

「直流电动机」工作原理(简图)

实验中我们使用了干电池,即以「直流电」作为供电电源,所以这类「电动机」被称为「直流电动机」。此外,为保持我们「线圈」旋转,我们需要转换「电流」的方向,『笨办法』是将干电池换个方向,但实际应用中,可以使用一种叫「转向器」的组件来完成。最后,实验所用的吸铁石充当着「直流电动机」中「定子」的角色,而旋转在「定子」中的「线圈」则被称为「转子」。

两类常用的「电动机」

「电动机」种类繁多,我们谈及的是作为驱动「电动汽车」的「电动机」。首先按工作电源不同,电动机可以分为「直流电动机」和「交流电动机」两大类。

「交流电动机」又可以按「转子」与「定子磁场」的转速是否相同,分为「同步交流电动机」和「异步交流电动机」两大类。「同步交流电动机」又可分为「永磁同步交流电动机」和「励磁同步交流电动机」;而「异步交流电动机」又分为「三相异步交流电动机」和「单相异步交流电动机」两种。
常见电动汽车 「(驱动)电动机」分类简述

目前的家用「电动汽车」大多数采用「交流电动机」,并以「三相异步交流电动机」和「永磁同步交流电动机」两类为主。或许你看到这里会有点晕,我们以「三相异步交流电动机」为例,先做一个『名词解释』:

「三相异步交流电动机」的名词解释

已被『封神』的尼古拉·特斯拉

当我们谈及「交流电动机」那就不得不提一下这位已被『封神』的尼古拉·特斯拉。

1882年的一天,特斯拉在与朋友郊外散步时,头脑中构思出一种全新的「交流电动机」模型:它完全不用「电刷」和「整流子」,「转子」不接电路而是悬空转动,使用「交流电」,无需整流,无火花,相比原来的「直流电动机」要安全得多。因为它是根据「电磁感应原理」制成,所以又称「感应电动机」(即是「交流电动机」)。

尼古拉·特斯拉关于「交流电动机」的『专利申请图』

1884年,特斯拉带着一封推荐信和他的设计图移居美国,并在「新泽西爱迪生工厂」寻求职位。特斯拉向爱迪生呈现他的「交流电动机」发明时,爱迪生因担心这会影响他公司「直流电」和「直流电动机」的发展,便拒绝了特斯拉的「交流电动机」计划。

尼古拉·特斯拉的「交流电动机」(「感应电机」)原型(源自维基百科)

「交流电动机」的基本构成

从尼古拉·特斯拉的『专利申请图』中,我们已经看到「交流电动机」的基本结构:「交流电动机」主要有两大部件:「定子」和「转子」。

特斯拉汽车「异步交流电动机」总成及其「定子」拆解(源自网络)

· 「定子」:最外面的圆筒,圆筒内侧缠有很多「绕组」,这些「绕组」与外部交流电源接通,由于整个圆筒与「机座」连接在一起,固定不动,因此称为「定子」 。

特斯拉汽车的「异步交流电动机」的「转子」专利(US20130069476A1)

· 「转子」:在「定子」的内部便是「转子」,其要么是一个缠绕着很多导线的圆柱体(即「绕线式转子」),要么是笼形结构的圆柱体(即「笼式转子」,如上图特斯拉)。由于「转子」不被固定,而是与「动力输出轴」连接在一起旋转,因此又称为「转子」。

「转子」与「定子」的结构示意图

· 「转子」与「定子」:两者之间没有任何连接和接触(此间隙被称为「气隙」,通常为0.2~1mm),并以『套筒』的结构相互套住。当「定子绕组」接通交流电源时,「转子」就会旋转并输出动力。

「异步交流电动机」的工作原理

简单地来说其原理就是:通电「绕组」在旋转磁场里转动。以特斯拉汽车也在使用的「异步交流电动机」(即「异步感应电动机」)为例来解释。

特斯拉Roadster(2008)采用「异步交流电动机」

或许你会问:『「电动机」中的「定子」和「转子」并不接触,为什么给「定子」的「绕组」通上「交流电」后,「转子」就会旋转呢?』其工作原理应用到两大「电磁学定律」:「法拉第定律」和「楞次定律」。而其工作逻辑请见下流程图:

「交流异步电动机」工作原理逻辑

STEP 1. 当「定子」上缠绕的「绕组」通上「交流电」后,由于「交流电」的特性,「定子绕组」就会产生一个旋转的「电磁场」;

STEP 2. 「转子绕组」是一个「闭环导体」,它处在「定子」的旋转磁场中就相当于在不停地切割定子的「磁感应线」;

STEP 3. 根据「法拉第定律」,闭合导体的一部分在磁场里做切割磁感应线的运动时,导体中就会产生「电流」,而这个「电流」又会形成一个「电磁场」;

STEP 4. 此时,我们就有了两个「电磁场」:一个是接通外部交流电后而产生的「定子电磁场」;另一个是因切割「定子」的电磁感应线而产生电流后形成的「转子电磁场」;

STEP 5. 根据「楞次定律」:『「感应电流」的磁场总要反抗引起「感应电流」的原因(「转子绕组」切割「定子电磁场」的「磁感应线」)』 ,也就是尽力使「转子」上的导体不再切割定子磁场的「磁感应线」;

STEP 6. 结果就是:「转子绕组」就会不停『追赶』着「定子」的旋转电磁场,即是『使「转子」跟着「定子」旋转电磁场旋转』,最终使「电动机」开始旋转。

「交流异步电动机」工作原理(动图)
「交流异步电动机」工作原理(图解)

在整个工作流程中,我们会发现一个有趣的现象:由于「定子」需通电后才能产生旋转的磁场,此磁场使「转子」发生「电磁感应」从而旋转,所以「转子」的转速与「定子磁场」的转速不同步(转速差约为2%~5% )。故此我们称其为「异步交流电动机」。反之,如果两者的转速相同,我们就称其为「同步交流电动机」。

「三相异步交流电动机」的工作原理

在工业领域使用最为广泛的「异步交流电动机」是「三相异步交流电动机」,而在「电动汽车」领域,特斯拉汽车和蔚来汽车则是使用此类「电动机」的代表。

「三相异步交流电动机」的工作原理(动图)
「三相定子绕组」电路图

「三相异步交流电动机」在构造上的特别之处在于,「定子绕组」是一个空间位置对称的「三相绕组」,如上图所示,每个「相位」在空间的位置彼此相差120°。当把「三相绕组」接成星形,并接通「交流电」后,那么在「定子」中便产生三个对称电流(「三相电流」)。

「三相交流电动机」内部「定子磁场」对「转子」的影响(动图)

「三相电流」形成旋转的「磁场矢量」会叠加,并对「转子」产生影响,使得「转子」能更快速的旋转(相比「单相异步交流电动机」),其转速可达到12000~15000r/min,从而驱动「电动汽车」。

蔚来的「异步交流电动机」
举两个例子:特斯拉Model X高性能版后驱为单电动机,最大功率达到375kW,最大扭矩达到了650N·m,堪称恐怖。此外,蔚来ES 8 425KM的单电动机,最大功率也可达到240kW,最大扭矩达到了420N·m,凭借「异步交流电动机」的性能,使得整车备重超过2.4吨的汽车,百公里加速任然能保持在5秒以内。(数据源自《汽车之家》数据库)

「交流电动机」的特点

至此,我们基本将「交流电动机」的基本结构和工作原理简单地解释完了,最后我们简单地来谈谈「交流电动机」的特点。

结构简单的「交流电动机」(动图)(源自网络)

先说其优点,我们从上面的结构和工作原理介绍中就可以看出:

1. 结构简单,重量相对较轻,体积相对较小;

2. 运行可靠,经久耐用;

3. 电动机本体制造成本较低且维修简单方便。

特斯拉Model X 及其电驱控制系统

但万事都有两面性,别看「交流电动机」的主要部件不多,但其「电控系统」非常复杂,制造成本较高,高到什么程度呢?

「同步电动机」的基本构造

此前,我们提到在「异步交流电动机」中,使「转子」转动的重要原理是:

Step 1. 「定子」旋转磁场先在「转子绕组」中感应出「电流」;

Step 2. 「感应电流」再产生「转子磁场」,带动「转子」旋转。

「交流异步电动机」工作原理逻辑

在楞次定律的作用下,「转子」跟随「定子」的旋转磁场转动,这造成了两者转速不同步,因此才称其为「异步电动机」。

若是将「转子」的「绕组」换为磁铁(永磁体)会如何呢?

但如果「转子绕组」中的「电流」不是由「定子」旋转磁场所感应产生,而是自己产生,即「转子磁场」与「定子旋转磁场」无关,而且其磁极方向是固定的,那么根据同性相斥、异性相吸的原理,定子的旋转磁场就会拉动转子旋转,并且使转子磁场及转子与定子旋转磁场『同步』旋转。这就是「同步电动机」的基本工作思路。


「永磁同步电动机」基本结构和原理

根据转子自生磁场产生方式的不同,又可以将「同步电动机」分为两种:

1. 将「转子绕组」通上外接「直流电」(即「励磁电流」)然后由「励磁电流」产生「转子磁场」,进而使「转子」与「定子」的磁场同步旋转。这种由「励磁电流」产生「转子磁场」的「同步电动机」称为「励磁同步电动机」(此处不展开,有兴趣的朋友可以深究一下);

奥迪Q7 e-tron 3.0 TDI Quattro的「永磁同步交流电动机」构造图(源自官网)

2. 干脆在「转子」上嵌上「永久磁体」,直接产生「磁场」,省去「励磁电流」或「感应电流」的环节。这种由「永久磁体」产生「转子磁场」的「同步电动机」,就称为「永磁同步电动机」。

「永磁同步电动机」的工作原理

接下来我们仔细来看一下「永磁同步电动机」的工作原理,如图所示,外圈(灰色区域)为「定子」,「定子」内部间隔绕制着三组六匝的「绕组」(红、绿和蓝),对角线为相同组。而中间加入一块条形磁铁,即是「转子」,条形磁铁中心位置连接着「输出轴」,最终将动力传输到「轮胎」。

当给第一组「定子绕组」(比如绿色)通上「交流电」后,在垂直角度就产生类似条形磁铁的磁场。此时,「定子」的磁场与「转子」的磁体磁场产生互斥和相吸的影响,「转子」就开始旋转。依次或同时给三组「绕组」通电,整个「定子」内部的磁场不停发生变化,「转子」便不停地旋转起来。

当然,在现实生活中,我们不会用一块条形磁体作为「转子」,而是将「永磁体」制作成类环型,使得「转子」受到更强的「定子磁场」影响,旋转起来也就更加的稳定。

「永磁同步电动机」基本工作逻辑

通过上图我们清楚地看到「永磁同步电动机」基本工作逻辑,相比「异步电动机」由于「转子」自带磁性,当「定子绕组」通电后,「转子」立即受力,这就使得「定子磁场」与「转子」两者的转速达到了同步。

「三相永磁同步电机」工作原理简图(动图)

当然,我们也不能忘记,只要是「电动机」,对于「励磁绕组」(定子部分)的控制都是关键,每组「绕组」的「通断」都需要通过「转子位置传感器」和「开关控制」等系统进行控制,绝非是简单的『你通我断』那么简单,而是一个比较复杂的「通断」规则,这就是后面的内容了。

特斯拉Model 3上使用的「永磁同步电动机」

「永磁同步电动机」的特点

先来说「永磁同步电动机」的优点:具有较高的功率和质量比,体积更小,质量更轻,比其他类型电动机的输出转矩更大,其极限转速和制动性能也比较优异,因此「永磁同步电动机」已成为现今电动汽车应用最多的电动机。

通用汽车所使用的「永磁同步电动机」构造图

但「永磁电动机」的性能优劣与永磁材料密切相关。目前用在「永磁电动机」上的永磁材料有「铁氧体」、「铝镍钻」、「钐钴」、「钕铁硼」等几种。

1. 「铁氧体」:价格低廉,去磁特性呈线性,是常用的永磁材料。「铁氧体」的磁能积低,用「铁氧体」制造的电动机体积较大。

2. 「铝镍钴」:材料「剩磁」高,但「矫顽力」低,「抗去磁能力」低,寿命短,电动机中采用较少。

3. 「钐钴」(Sm-Co):材料「剩磁」和「矫顽力」都很高,美中不足的是资源不多,价格昂贵,限制了应用。

4. 「钕铁硼」(Nd-Fe-B):材料具有很高的「剩磁」、「矫顽力」、「磁能积」以及相对低的价格,是目前最合适的永磁材料。

高启动性能「稀土式永磁电动机」的技术性能

我国有丰富的「钕铁硼」材料——稀土金属。所谓「稀土金属」,是指化学元素周期表中镧系元素族中的17种元素,表现为金属特征,多以化合物形式蕴藏于自然界。稀土永磁材料的磁性能优异,它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场,用来替代传统电动机的稀土永磁电动机不仅效率高,而且结构简单、运行可靠、体积小、重量轻。

「钕铁硼」制成的「永磁体」(图片源自网络)

「稀土式永磁电动机」既可达到「传统电励磁电动机」所无法比拟的高性能(如特高效、特高速、特高响应速度),又可以制成能满足特定运行要求的特种电动机,如电梯曳引电动机、汽车专用驱动电动机等。不过,我们不得不否认,虽然我国地大物博,算是稀土资源丰富的国家,「稀土式永磁电动机」的制造成本仍是较高的。

N44H退磁曲线(图片源自网络)

此外,永磁材料的特性通常与温度有关,如磁体温度增加,失去剩磁的速率会加大。如果永磁体的温度超过「居里温度」,则会完全失去磁性(磁性为零)。「退磁特性」曲线随温度变化,在一定温度范围内,其变化是可逆的,近似线性变化。

暂告一段落

电动汽车各类「电动机」的特点

网上关于『「异步交流电动机」和「永磁同步电动机」孰好孰坏』争论不休,通过上表我们可以全面地对比四类「电动机」的特点。我认为:这里没有『好与坏』的判断,只有『最合适』的选择!

特斯拉Model 3使用「异步交流电动机」和「永磁同步电动机」的组合(图片源自网络)
相信无论是特斯拉,还是国内的新势力,在选择电动汽车的『心脏』时,都会从制造成本、电控难度和供应商等多个因素去考虑。对于消费者而言,其实也不要纠结,开着安全,开起来爽,才是王道。

编辑于 2019-11-07

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