電機(jī)，顧名思義，就是電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的裝置。任何電機(jī)既可以做電動(dòng)機(jī)(motoring)運(yùn)行，也可以做發(fā)電機(jī)(generating)運(yùn)行，其本身不產(chǎn)生能量，只是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換場(chǎng)所，但轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量，所以任何電機(jī)的設(shè)計(jì)包括電磁設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，大家比較關(guān)注電功率，機(jī)械功率，損耗和效率，溫度等性能參數(shù)。

圖1 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換示意圖

      根據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)合不同，電機(jī)種類(lèi)可謂繁多。但用于目前汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的主要就是永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，電勵(lì)磁電機(jī)，直流電機(jī)。行文到此大家不免要關(guān)注這些電機(jī)都有啥不同，各有什么優(yōu)缺點(diǎn)?我們不妨在此做個(gè)簡(jiǎn)單科普吧。

直流電機(jī)

      直流電機(jī)是電機(jī)家族里最古老的發(fā)明，其發(fā)明人就是大家耳熟能詳?shù)姆ɡ冢瑐鹘y(tǒng)直流電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子上的電樞繞組，定子上的勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子鐵心，機(jī)座和電刷-換向器構(gòu)成，勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁磁場(chǎng)，電樞繞組提供產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流。

圖2 法拉第及其發(fā)明的直流電機(jī)

      前面講過(guò)，直流電機(jī)有勵(lì)磁繞組和電樞繞組，通過(guò)控制勵(lì)磁繞組的電流可以控制磁場(chǎng)的大小，通過(guò)控制電樞繞組的電流可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小，所以直流電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是控制性能好，可以僅僅通過(guò)外接可變電阻就能近乎線性的調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

      但因電刷的存在，可靠性低，維護(hù)成本高，且由于電刷接觸電阻和外接電阻引起的額外損耗較大，電機(jī)效率比較低。目前新研制的電動(dòng)汽車(chē)基本已不再采用有刷直流電機(jī)，一般只用在車(chē)窗升降，驅(qū)動(dòng)雨刮等地方，且有用電子換向器取代電刷換向器的趨勢(shì)。

感應(yīng)電機(jī)

      感應(yīng)電機(jī)的發(fā)明者是另一位科技大牛特斯拉，一般其定子鐵心上埋有三相交流繞組，轉(zhuǎn)子由鐵心和短接的籠型繞組組成，當(dāng)定子繞組中通以三相交流電時(shí)，將產(chǎn)生一合成的空間同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子籠型繞組中生成電流，該電流又會(huì)受到磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖3 特斯拉及其發(fā)明的感應(yīng)電機(jī)

      因其轉(zhuǎn)子上不需要電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用?，F(xiàn)在有用于一些客車(chē)，但因功率密度較小，控制復(fù)雜，在乘用車(chē)上用得很少，Tesla Motor為了紀(jì)念這位大神級(jí)人物，在其前期的產(chǎn)品中使用了銅條鼠籠的感應(yīng)電機(jī)，但因其總體上效率、功率密度等性能還是無(wú)法與稀土永磁電機(jī)相提并論，最新款的Model 3上已經(jīng)改用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)了。

傳統(tǒng)同步電機(jī)及永磁同步電機(jī)

      同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)跟前面的感應(yīng)電機(jī)一樣，都是屬于交流電機(jī)，只有定子繞組通過(guò)對(duì)稱(chēng)的交流電，就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。而與異步電機(jī)不同的是其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速一致。

      圖4 為傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子凸極上纏有繞制好的勵(lì)磁繞組并通過(guò)軸上的滑環(huán)和電刷引出。即其勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)是通過(guò)外接的直流電提供。所以其控制性能比較好，功率因數(shù)和效率都可以做得比較高。但是因?yàn)樾枰饨觿?lì)磁機(jī)，體積較大，電刷滑環(huán)需要定期維護(hù)，所以這種電機(jī)多用于電廠發(fā)電機(jī)，在汽車(chē)上比較少見(jiàn)。

圖4 電勵(lì)磁同步電機(jī)

      新能源汽車(chē)上使用最多的是永磁同步電機(jī)，與前不同的是其轉(zhuǎn)子鐵心沒(méi)有繞組，只有表貼的或內(nèi)置的永久磁鋼，其勵(lì)磁磁場(chǎng)就是由這些磁鋼產(chǎn)生，通過(guò)與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用而發(fā)生機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

圖5 兩種不同轉(zhuǎn)子的永磁電機(jī)

      因?yàn)槠?chē)需要經(jīng)常調(diào)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)得比較高，所以右邊這種內(nèi)置磁鋼的永磁同步電機(jī)因其機(jī)械強(qiáng)度好更有優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于這種內(nèi)置磁鋼的電機(jī)具有比較高的磁阻轉(zhuǎn)矩，更利于節(jié)省磁鋼用量，提升弱磁性能。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

      磁阻電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其轉(zhuǎn)子上既沒(méi)有繞組，也沒(méi)有永磁材料，而是由硅鋼片疊成的凸極實(shí)心結(jié)構(gòu)。它是基于磁阻最小原理(磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合)，通過(guò)切換定子凸極上的繞組通電次序，使得轉(zhuǎn)子不斷地移到磁阻最小的位置，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖6 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

      磁阻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，工作可靠，成本很低，具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ蚨陙?lái)在牽引調(diào)速領(lǐng)域的發(fā)展頗為迅速，但因其固有的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，振動(dòng)噪聲明顯，目前只在一些客車(chē)中得到應(yīng)用。

      目前也有一些新型的混合勵(lì)磁型磁阻電機(jī)，通常是在轉(zhuǎn)子磁阻槽內(nèi)插入一定的鐵氧體永磁材料，這樣因?yàn)橐肓艘徊糠钟来呸D(zhuǎn)矩，電機(jī)的性能比磁阻電機(jī)要高一些，而成本又不及稀土永磁電機(jī)那么高。

結(jié)語(yǔ)

      本篇介紹了我們耳熟能詳?shù)膸卓铍姍C(jī)，總而言之，直流電機(jī)因其可靠性差，性能一般，逐步被淘汰;開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)還未成熟，低速時(shí)噪聲和振動(dòng)明顯，效率也較低，屬于未來(lái)的備選方案;感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上有二次側(cè)銅耗，發(fā)熱嚴(yán)重，效率偏低，體積大，往往適合在對(duì)體積要求不嚴(yán)格的客車(chē)上應(yīng)用;電勵(lì)磁同步電機(jī)系統(tǒng)體積大，電刷滑環(huán)需要維護(hù)且存在可靠性隱患，除了用作發(fā)電機(jī)外目前還很少見(jiàn)。

圖7不同電機(jī)及其性能對(duì)比

      上圖是美國(guó)能源部和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室做的幾款電機(jī)結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比，可供參考。對(duì)于體積較小的乘用車(chē)，目前還是主要以永磁同步電機(jī)為主，而且在我國(guó)，稀土永磁材料的儲(chǔ)量具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)。但隨著新能源汽車(chē)爆炸式的增長(zhǎng)，對(duì)新型的高功效，低成本，安全可靠的電機(jī)的研究熱情也在不斷增長(zhǎng)。

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