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不同类型电机简介与比较
发布时间:2019-12-21 ? 浏览量:34

电机,顾名思义,就是电能和机械能转换的装置。任何电机既可以做电动机(motoring)运行,也可以做发电机(generating)运行,其本身不产生能量,只是实现机电能量的转换场所,但转换过程中的损耗会转换成热量,所以任何电机的设计包括电磁设计,机械设计和热设计,大家比较关注电功率,机械功率,损耗和效率,温度等性能参数。

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图1 机电能量转换示意图
   根据结构和应用场合不同,电机种类可谓繁多。但用于目前汽车驱动的主要就是永磁同步电机,异步电机(感应电机),开关磁阻电机,电励磁电机,直流电机。行文到此大家不免要关注这些电机都有啥不同,各有什么优缺点?我们不妨在此做个简单科普吧。  

直流电机   
  直流电机是电机家族里最古老的发明,其发明人就是大家耳熟能详的法拉第,传统直流电机主要由转子上的电枢绕组,定子上的励磁绕组,定、转子铁心,机座和电刷-换向器构成,励磁绕组提供励磁磁场,电枢绕组提供产生转矩的电流。

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图2 法拉第及其发明的直流电机
   前面讲过,直流电机有励磁绕组和电枢绕组,通过控制励磁绕组的电流可以控制磁场的大小,通过控制电枢绕组的电流可以调节转矩大小,所以直流电机最大的优点是控制性能好,可以仅仅通过外接可变电阻就能近乎线性的调节电机的输出转速和转矩。但因电刷的存在,可靠性低,维护成本高,且由于电刷接触电阻和外接电阻引起的额外损耗较大,电机效率比较低。目前新研制的电动汽车基本已不再采用有刷直流电机,一般只用在车窗升降,驱动雨刮等地方,且有用电子换向器取代电刷换向器的趋势.


感应电机

   感应电机的发明者是另一位科技大牛特斯拉,一般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,当定子绕组中通以三相交流电时,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,该电流又会受到磁场的作用而产生电磁力,驱动转子旋转

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图3特斯拉及其发明的感应电机
   因其转子上不需要电刷,结构简单,可靠性好,生产技术比较成熟,在工业生产中广泛使用。现在有用于一些客车,但因功率密度较小,控制复杂,在乘用车上用得很少,Tesla Motor为了纪念这位大神级人物,在其前期的产品中使用了铜条鼠笼的感应电机,但因其总体上效率、功率密度等性能还是无法与稀土永磁电机相提并论,最新款的Model 3上已经改用永磁同步电机作为驱动电机了。


传统同步电机及永磁同步电机
   同步电机的定子结构跟前面的感应电机一样,都是属于交流电机,只有定子绕组通过对称的交流电,就会在气隙中产生一定的旋转磁动势。而与异步电机不同的是其转子转速与旋转磁场的转速一致。
   图4 为传统的电励磁同步电机,其转子凸极上缠有绕制好的励磁绕组并通过轴上的滑环和电刷引出。即其励磁磁动势是通过外接的直流电提供。所以其控制性能比较好,功率因数和效率都可以做得比较高。但是因为需要外接励磁机,体积较大,电刷滑环需要定期维护,所以这种电机多用于电厂发电机,在汽车上比较少见。

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图4 电励磁同步电机
   新能源汽车上使用最多的是永磁同步电机,与前不同的是其转子铁心没有绕组,只有表贴的或内置的永久磁钢,其励磁磁场就是由这些磁钢产生,通过与定子产生的旋转磁场作用而发生机电能量转换。

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图5 两种不同转子的永磁电机
   因为汽车需要经常调速,电机的转速设计得比较高,所以右边这种内置磁钢的永磁同步电机因其机械强度好更有优势,而且对于这种内置磁钢的电机具有比较高的磁阻转矩,更利于节省磁钢用量,提升弱磁性能。


开关磁阻电机
        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。它是基于磁阻最小原理(磁通总要沿磁阻最小的路径闭合),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最小的位置,从而驱动转子旋转。

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图6 开关磁阻电机
   磁阻结构简单、坚固,工作可靠,成本很低,具有很大的发展潜力,因而近年来在牵引调速领域的发展颇为迅速,但因其固有的转矩波动大,振动噪声明显,目前只在一些客车中得到应用。
   目前也有一些新型的混合励磁型磁阻电机,通常是在转子磁阻槽内插入一定的铁氧体永磁材料,这样因为引入了一部分永磁转矩,电机的性能比磁阻电机要高一些,而成本又不及稀土永磁电机那么高。


   总而言之,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。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,而且在我国,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。


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