目前傳統(tǒng)汽車市場處于下行趨勢,國內(nèi)汽車同比產(chǎn)銷量已持續(xù)下降,與之截然不同的是,新能源汽車行業(yè)景氣度持續(xù)走高,2013年特斯拉電動(dòng)跑車的推出,將電動(dòng)汽車的關(guān)注度提高到前所未有的高度。電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出,選用的是什么電機(jī)呢?
一目前電動(dòng)汽車用電機(jī)類型
目前小型乘用電動(dòng)汽車采用的電機(jī)基本可以分為異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)兩個(gè)陣營。
特斯拉“Model S”高性能電動(dòng)跑車采用的是異步電機(jī),比亞迪“秦”油電混合動(dòng)力汽車采用的是永磁同步電機(jī),寶馬i3、i8油電混合動(dòng)力汽車采用的是“混合”同步電機(jī),其實(shí)也是基于永磁同步電機(jī)加磁阻電機(jī)的原理來設(shè)計(jì)的。
異步電機(jī)又稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī),物理學(xué)家特斯拉于1883年發(fā)明制造了世界上第一臺(tái)感應(yīng)電機(jī)模型。異步電機(jī)在定子繞組加三相交流電后,會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場,其轉(zhuǎn)子上的閉合的導(dǎo)條會(huì)因?yàn)榍懈疃ㄗ哟艌龅拇帕€而感應(yīng)出電勢和電流,而帶電(電流)的導(dǎo)體在磁場中就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),這樣電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)起來了。旋轉(zhuǎn)磁場的速度和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度不同步,存在轉(zhuǎn)差率s,所以稱為異步電機(jī)。
同步電機(jī)與異步電機(jī)的定子繞組是相同的,區(qū)別在于電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是短路的繞組,靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流,而同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,有直流勵(lì)磁繞組,外加勵(lì)磁電源。永磁同步電機(jī)是同步電機(jī)的一種,采用永磁體取代轉(zhuǎn)子直流繞組,建立轉(zhuǎn)子磁場。
二電動(dòng)汽車選用電機(jī)的特性
下面從異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的特性來分析,為什么不同的廠家會(huì)選擇不同類型的電機(jī)。
異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)成本低、高速時(shí)效率不會(huì)降低,缺點(diǎn)是整體效率低。
永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn):效率高、缺點(diǎn)是成本高、永磁體失磁,高速時(shí)效率較低(鐵損非常大)。
01電機(jī)效率
異步電機(jī)在工作時(shí),轉(zhuǎn)子繞組要吸收部分電能勵(lì)磁,這部分電能最終以電流在轉(zhuǎn)子繞組中發(fā)熱消耗掉,它降低了異步電機(jī)的效率。
永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子上嵌了永磁體后,由永磁體來建立轉(zhuǎn)子磁場,在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗,提高了永磁同步電機(jī)的效率。
所以永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)相比,在效率方面具有明顯的優(yōu)勢。但是,特斯拉的獨(dú)到之處在其異步電機(jī)轉(zhuǎn)子方面采用了其專利技術(shù)和的特殊的安裝工藝,大大提高了異步電機(jī)的效率。
傳統(tǒng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子,使用銅條插入轉(zhuǎn)子鐵芯,將銅條末端和端環(huán)焊接起來,形成閉合的鼠籠。如圖1所示。
圖1 鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖
銅條末端與端環(huán)的接觸面積決定著整個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電性能,影響電機(jī)的運(yùn)行效率,端環(huán)的自身強(qiáng)度與焊接點(diǎn)強(qiáng)度決定著電機(jī)的可靠性。
圖2 鼠籠轉(zhuǎn)子焊點(diǎn)斷開
特斯拉的專利技術(shù)是在傳統(tǒng)銅條安裝的基礎(chǔ)上再間隔插入稍長一些的銅片,最后使用一個(gè)禁錮環(huán)將所有的銅片固定,銅條與銅片間接觸面積很大,增高了導(dǎo)電性能,提高了運(yùn)行效率。特斯拉電機(jī)的效率已經(jīng)接近永磁同步電機(jī)的效率。
圖3 特斯拉異步電機(jī)轉(zhuǎn)子專利技術(shù)
02電機(jī)高速性能
異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為:n=60f(1-s)/p,永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為:n=60f/p,其中f為供電頻率,p為電機(jī)的極對數(shù)。異步電機(jī)可以通過改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s達(dá)到調(diào)速目的。永磁同步電機(jī)可以通過改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)p達(dá)到調(diào)速目的。當(dāng)電機(jī)的極對數(shù)為固定的情況下,異步電機(jī)可以變頻、變轉(zhuǎn)差率進(jìn)行調(diào)速,而永磁同步電機(jī)只可通過變頻調(diào)速。
當(dāng)電動(dòng)汽車需要高速度時(shí),永磁同步電機(jī)只能提高供電頻率來增加轉(zhuǎn)速,但是電機(jī)的鐵損逐漸增加,隨著速度越來越快,在高頻時(shí)鐵損逐漸成為電機(jī)內(nèi)部的主要損耗。
所以,永磁同步電機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)的效率會(huì)降低,而異步電機(jī)可以通過采用變轉(zhuǎn)差率來提高轉(zhuǎn)速,高轉(zhuǎn)速的效率可以保持基本穩(wěn)定。
03電機(jī)成本
永磁同步電機(jī)的永磁體原料為稀土,稀土作為有限資源,并且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,制造成本高。同等級永磁同步電機(jī)的價(jià)格是異步電機(jī)的2~3倍以上。
04永磁同步電機(jī)有失磁風(fēng)險(xiǎn)
我們在中學(xué)的物理中學(xué)過,一根磁化的針,使其退磁的方法有:1、火上烤,2、在地面上反復(fù)摔打。
所以,永磁同步電機(jī)的永磁體在高溫(相關(guān)文獻(xiàn)中說永磁體達(dá)到140度,會(huì)發(fā)生不可逆的退磁現(xiàn)象)和強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)等的外部影響,隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生消磁現(xiàn)象,降低電機(jī)的可靠性和效率。
采用永磁同步電機(jī)的電動(dòng)汽車,會(huì)在電機(jī)散熱、緩沖方面做加強(qiáng)設(shè)計(jì),這部分會(huì)增加空間結(jié)構(gòu)和成本。
三總結(jié)
電動(dòng)汽車電機(jī)的選擇,不同的電動(dòng)汽車廠商一定是出于各方能綜合的考慮,我這里只是作為一個(gè)簡單的總結(jié)。
特斯拉“Model S”純電動(dòng)跑車注重運(yùn)動(dòng)性能,出廠最高速度可達(dá)225Km/h,效率不是第一考慮點(diǎn),并且其采用了新的專利技術(shù),提高了異步電機(jī)的效率。犧牲的那一點(diǎn)效率,換取的是成本的節(jié)約,并且無需另外設(shè)計(jì)散熱,節(jié)約空間。
對于油電混合動(dòng)力汽車,其設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)就是為了節(jié)能,選用電機(jī)的第一考慮要素就是效率,所以永磁同步電機(jī)是第一選擇。并且由于是油電混合,可以彌補(bǔ)永磁同步電機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)效率下降的問題。
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