电机,其核心在于电能与机械能的相互转化。不论是作为电动机还是发电机,电机本身并不创造能量,而是充当能量转换的桥梁。在转换过程中,电能转化为机械能的同时,也会产生热量,因此电机设计时必须考虑电磁、机械和热力三大设计领域。在众多性能参数中,电功率、机械功率、损耗和效率、温度等尤为受到关注。
图1展示了机电能量转换的直观图示。
电机种类繁多,根据结构和应用场景的不同而千变万化。在当前汽车驱动领域,主要应用的有永磁同步电机、异步电机(感应电机)、开关磁阻电机、电励磁电机以及直流电机。这些电机各具特色,优缺点各异,下面进行简要科普。
直流电机,作为电机家族中的“元老”,其发明者是著名的法拉第。传统的直流电机主要由转子电枢绕组、定子励磁绕组、铁心、机座以及电刷-换向器组成。励磁绕组负责产生磁场,而电枢绕组则负责产生产生转矩的电流。
图2展示了法拉第及其发明的直流电机。
直流电机具有控制性能好的优点,通过调节励磁绕组和电枢绕组的电流,可以精确控制磁场大小和转矩大小。然而,由于电刷的存在,其可靠性较低,维护成本高,且存在较大的损耗,导致效率较低。因此,新研制的电动汽车基本已不再采用有刷直流电机,而倾向于使用电子换向器。皖南电机价格表
感应电机,由特斯拉发明,其定子铁心上埋有三相交流绕组,转子由铁心和短接的笼型绕组组成。皖南电机当定子绕组通以三相交流电时,将产生一合成的空间同步旋转磁场,切割转子绕组,从而在转子笼型绕组中生成电流,进而驱动转子旋转。
图3展示了特斯拉及其发明的感应电机。
感应电机结构简单、可靠性高,生产技术成熟,广泛应用于工业生产。皖南电机价格表虽然现在有应用于客车的感应电机,但因功率密度较小、控制复杂,在乘用车上应用较少。TeslaMotor为了纪念特斯拉,在其前期的产品中使用了铜条鼠笼的感应电机,但*新款的Model3上已改用永磁同步电机。
传统同步电机及永磁同步电机,其定子结构与感应电机相似,属于交流电机。同步电机的转子转速与旋转磁场的转速一致,具有控制性能好、功率因数和效率高的优点。但因其需要外接励磁机,体积较大,电刷滑环需要定期维护,故在汽车上应用较少。
新能源汽车上使用*多的是永磁同步电机,其转子铁心没有绕组,只有表贴的或内置的永久磁钢。因其转速较高,机械强度好,具有较优的磁阻转矩,更有利于节省磁钢用量,提升弱磁性能。安徽皖南电机
开关磁阻电机,是一种新型结构的电机,其转子上既没有绕组,也没有永磁材料,而是由硅钢片叠成的凸极实心结构。皖南电机基于磁阻*小原理,通过切换定子凸极上的绕组通电次序,使得转子不断地移到磁阻*小的位置,从而驱动转子旋转。皖南电机价格表
图6展示了开关磁阻电机。
开关磁阻电机结构简单、坚固、可靠,成本较低,具有很大的发展潜力。但由于固有的转矩波动大、振动噪声明显,目前只在一些客车中得到应用。近年来,新型混合励磁型磁阻电机逐渐受到关注,其性能比磁阻电机略高,成本又不及稀土永磁电机。
总之,直流电机因其可靠性差、性能一般,逐步被淘汰;开关磁阻电机的控制技术还未成熟,低速时噪声和振动明显,效率也较低,属于未来的备选方案;感应电机转子上有二次侧铜耗,发热严重,效率偏低,体积大,往往适合在对体积要求不严格的客车上应用;电励磁同步电机系统体积大,电刷滑环需要维护且存在可靠性隐患,除了用作发电机外目前还很少见。
图7展示了不同电机及其性能对比。
对于体积较小的乘用车,目前还是主要以永磁同步电机为主,且在我国,稀土永磁材料的储量具有得天独厚的资源优势。但随着新能源汽车爆炸式的增长,对新型的高功效、低成本、安全可靠的电机的研究热情也在不断增长。