想更好的了解空压机的节能,这些电机原理得懂

来源: 发布时间:2019-05-08 10:55:14 点击数:

各位朋友有没有发现,媒体在报道电动车的动力信息时,经常使用“搭载了永磁同步电机,最大功率XX……”因为绝大多数产品搭载的电机都是“永磁同步电机”,很多读者就把这句话理解为“搭载的电机最大功率为……”


但关注特斯拉的朋友们可能知道,特斯拉搭载的是“交流异步电机”,而新晋网红蔚来ES6性能版搭载的是“前160千瓦永磁同步电机,后240千瓦感应电机” 这又是什么东西?


那么今天就给大家讲讲,同步电机和异步电机的区别吧。



先别管同步异步,来回忆一下电机


电机这个东西相信大家都不陌生,回忆一下高中物理上的直流有刷电机,原理千百年来都是一样的, 一个永磁体(磁铁)作为定子,一个线圈作为转子,通电后产生磁场,根据“同性相斥,异性相吸”的原理,他会绕着定子转动。

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但是吧,转了180度之后,你会发现定子的N极挨着转子的S极了,它们两个开始相吸,不转了咋整?所以这时候需要改变一下通过转子的电流方向,但是你是不能改变电源的电流方向的,所以这时候需要换向器和电刷出马了。


电刷的主要作用是传导电流,它的正负极则与电池的正负极相连,转子每转过180度,电刷与换向器的连接发生转向,线圈原本的正极变成负极、负极变成正极,以此交替循环,实现电磁力推动转子线圈持续旋转。不过因为电刷一直在换向器上刷来刷去,势必产生磨损,运气不好还会产生火花。

湖南螺杆空压机

前面说了电刷会磨损甚至起火花,所以现在大多数汽车用的都是无刷电机,我们本次讨论的永磁同步电机和交流异步电机都是无刷电机,下面终于进入正题,给大家讲讲这两者的区别:

同步和异步指的是什么?


指的是转子转速和定子产生的磁场的速度是否一样。要完全理解这个问题,我们需要理解这两种电机的原理。


我们先看永磁同步电机:


需要注意的是,永磁同步电机和我们上面举例用的课本上的电机不一样,它的线圈是作为定子,永磁体是充当转子的,跟课本上的正好相反。


先说这个永磁体,现在多数是用钕铁硼材料制作,这种材料被称为“永磁王”,是目前磁性最高的永磁材料。而获得这种材料需要一种稀有物品——稀土。


这里稍微科普一下,稀土家族是来自镧系的15个元素,加上与镧系相关密切的钪和钇共17种元素的集合体,中国的稀土储量最多时占世界的71.1%,目前占比在23%以下,中国还在过去几年承担了稀土输出的角色,邦老师的老家就很擅长处理稀土,甚至大学还开设专门的稀土学院。

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▲ 钕铁硼永磁体


这里废话这么多的原因就是想告诉大家稀土很贵很稀有,所以导致永磁体很贵,永磁直流电机也很贵……


好吧稍微有点跑题了,我们接着讨论永磁同步电机。因为没有电刷,所以换向必须采用“电子”的方式,下面是永磁同步电机的结构示意图:

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外圈灰色是固定在车身上的定子壳体,上面间隔绕制着红、绿、蓝三组六匝线圈,对角线为相同组。而中间白色轮转为转子,连接着输出轴到轮胎。


假设我们先给绿色线圈通电,那么它将产生类似条形磁铁的磁场。而如果给三组线圈都通电,三组线圈的磁场就相当于三根条形磁铁成“米”字型放在定子内部,就会产生不断旋转的磁场,这时候转子就会受到定子产生的磁力而转动。

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注意,上面这个图里的条形磁铁只是为了帮助大家理解通电线圈的磁场方向,并不是电机里放置了一个磁铁!


在这种情况下,通电线圈发生变化后,转子能够马上受力,也就是转子转速和定子产生的磁场的速一样,所以叫同步电机。

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另外这里的转子也不是单纯的一个磁铁,如果这样的话,会因为磁极方向单一导致受力不均匀,所以它一般是将更多个磁铁放在定子上组成定子磁组,这样就形成了一个SN极间隔的永磁转子。

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这样磁场中的转子由于任意方向都有磁铁受力,因此这就使得转子稳定的旋转起来。当然线圈的通断电是由转子位置传感器和开关控制的,它们三个的通断也不是简单的“你通我断”,而是一个比较复杂的通断规则,这里就不细讲了。

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接下来我们讲交流异步电机:


交流异步电机的定子由铁芯、绕组与机座组成,转子则是由铁芯和绕组组成,转子绕组有鼠笼式和线绕式,长这样:

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可以看到,交流异步电机没有永磁体,它的转子和定子都是靠通电才能产生磁场的。


由于使用的是三相交流电,所以,线圈在定子内每120度为一个单元,共三个单元,相互对称排列。三个独立绕组组合在一起形成一个360度的圆柱形定子。


因为交流电的频率和方向是不断变化的,所以假设我们给A绕组通入交流电,那么它会产生一个方向和大小都不断变化的磁场,对于另外两个绕组来说也是这样,类似下面这个图:

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本图只示意三个绕组会产生大小方向变化的磁场,并不表示真实的大小和方向关系!


这时候我们需要一些矢量合成的知识,这三个有大小、有方向的磁场组合起来,形成了一个大小、方向不断变化的磁场。然后我们把通电的顺序调一下:A相先通电,等A相交流电电压波形摆了三分之一周期再给B相通电,等B相电压又摆了三分之一周期给C相通电。

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这时候合成的磁场变成了这样:大小固定,方向变化规律。

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你可以简单理解成这样~


行了,有了这个磁场,转子终于能愉快的转动了~但是由于交流异步电机的转子是鼠笼式,它会在定子产生的磁场中做初中物理我们熟悉的“导体切割磁感线运动”,产生了感应电流。

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这个电流在旋转的磁场中又受到安培力的作用,使导体转动,这两个转动的叠加导致转子的转速和定子产生的磁场的速度不一样,也就是“异步”的意思。具体可以看下面的图:

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同步/异步电机的优缺点?


还是先聊同步电机,它的优点很明显,在同样的重量和体积下,永磁同步电机能输出更高的功率和扭矩。同理,在相同的功率和扭矩情况下,它的重量和体积小,为另一个极为重要的部件动力电池留出足够的空间和质量。此外,永磁同步电机还拥有噪音较小的特点。


至于缺点,前面我说过,永磁体依赖稀土,如果想要大的功率,就要大块的永磁体,造价高;而且虽然叫“永磁”,但它在高温之类的恶劣环境下容易退磁。


至于异步电机,成本十分低廉,工艺简单、运行可靠、维修方便等特点,能够在复杂的工作环境中工作,也对周围工作温度的大幅度变化有比较强的适应能力。


但在同样的功率和扭矩下,异步电机所需要的体积和重量要远大于永磁同步电机。

特斯拉为啥喜欢用异步电机?


其实不光是特斯拉,很多欧洲品牌的电动车都喜欢用异步电机,比如宝马i3,但中国和日本品牌却不是这样,对于永磁同步电机还是爱的深沉的。

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至于特斯拉等国外品牌放弃优势明显的同步电机的原因,目前有几种推论,一是异步电机更能适应恶劣的环境,而特斯拉这种定位较高的车型可能会比家用车更多的经历激烈驾驶等状况,那么异步电机不易退磁的特性就非常它们契合了。


第二个是永磁同步电机的核心材料稀土的问题,对于我国和日本而言,我国拥有不错的稀土资源,,日本则是稀土产业的大国,世界销量前三的钕铁硼公司:住友特殊金属公司、新越化学实业公司和TDK集团都是日本公司,实力可见一斑。欧美国家可能就无法随心所欲的使用稀土材料了。

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第三是特斯拉在异步电机上有自己的专利,规避了异步电机的缺点,比如铜芯转子的技术,下面简单给大家介绍一下:


目前大多数异步电机的转子,就是那个鼠笼,的材料是铝,铝有着较好的电导率和较低的熔点(660.4℃)成本也有优势,但是它的效率有限,难以更进一步,如果使用电导率更高的铜来制作鼠笼,电机的效率将会显著提升。


但是铜的熔点高(1083℃),铜芯转子难以制造;并且焊接铜的成本也很高,对焊点强度的要求也很高。

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▲ 不同金属电阻率


Tesla的专利Rotor Design for An Electric Motor,采用了焊接铜工艺,先是与焊接鼠笼技术方案相同,将铜条插入了转子槽中,之后本来应该焊接端环,但特斯拉制造了一组表面镀银的铜质楔子,将这些楔子插入了铜条端部的间隙之中,插完楔子之后,在楔子和铜条之间进行焊接,这个焊接要求的成本、难度都比较低。焊接完成后,再把端环插进去。

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实物长这样:

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好的,我们来总结一下本文:

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