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电机小知识之交流异步电机篇

2018-06-04 · 来源: 电驹 关注度:11661 次
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电机
摘要:虽然电机运用在生活中的方方面面,但驱动电机由于对于功率、转矩、散热、噪音、输出脉冲等方面的要求更高,因此在技术方面依然有很多可做的文章。

传统燃油车时代,发动机被称为汽车的心脏,因为它是能量转化的核心部件。而在电动汽车时代,人们更关心的是电池储能问题,反而忽视了对电机的关注。

虽然电机运用在生活中的方方面面,但驱动电机由于对于功率、转矩、散热、噪音、输出脉冲等方面的要求更高,因此在技术方面依然有很多可做的文章。今天跟大家一起简单认识一下动力电机的一些基本知识。

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电机按能量转换方式的不同,一般可以分为电动机、发电机两项功能。按供能类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电动机。

其中适合于新能源汽车的驱动的电机主要有永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机三大类。因其结构和控制特点不同,在汽车市场上选用的范围也有所不同。

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在乘用车领域,目前运用主要分为感应(异步)电机与永磁(同步)电机量大流派,前者的主要代表是特斯拉,而后者更为主流,宝马以及国内大部分电动车厂家都有运用。这两者之间有什么不同呢?

永磁电动机是同步电动机。其转子使用永磁体,定子产生电磁转矩来推动转子的磁场围绕轴心线进行旋转,定子和转子的磁场是同步的。而感应电动机是异步电动机,是由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机。

在商用车领域,开关磁阻电机的运用也很广泛,而且其发展前景也被看好,主要的优势它不需要使用永磁材料,对于稀土没有依赖性,甚至连电机常见的铜线圈也不用,造价可以控制地比较低。

开关磁阻电机有两个基本特征:

1、开关性,电机必须工作在一种连续的开关模式。

2、磁阻性,它是真正的磁阻电机,定、转子具有可变磁阻磁路,更确切地说,是一种双凸极电机。

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性能方面,开关磁阻电机的调速非常灵活,不但可以通过改变电压,而且可以通过改变导通和关断角度,拥有很好的调速范围和能力。转矩密度和效率也能做到接近永磁同步电机的水平,强于感应电机。

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不过,开关磁阻电机主要不足是转矩脉动仍然较大,振动噪音也比其他电机大,对于乘用车而言,这个问题显然是难以接受的,因此暂时还没有大规模运用。

我们重点看看交流异步电机的特点。

感应(异步)电动机的发展历史:

尼古拉·特斯拉作为电力祖师爷级别人物,当年为了和爱迪生的直流电系统对抗,发明了三相交流电(动力电),还发明了交流电的三相交流异步电机,也就是特斯拉汽车的动力心脏的鼻祖。

另外,其发明贡献还有特斯拉线圈、特斯拉效应、特斯拉变压器(交变压远程送电技术)、特斯拉无线远程控制系统以及著名的尼亚加拉水电站等都是出自他的研究。一生获得了大约1000项发明,分布在科学和工程学各个领域。

现在的特斯拉汽车以此命名,其实就是向这位杰出贡献者致敬,同时,也决定了特斯拉汽车肯定会在这种电机道路上坚持走下去并发扬光大。

电动汽车的整个动力心脏和内燃汽车完全不同,一般由储存电能的储能机构(ESS),将能量输出给转换器和功率控制模块(PEM)通过控制传感器感知驾驶员操作需求和路况来驱动执行电机(马达)。

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汽车储能系统只能储存直流电,而感应电动机使用的是交流电,要想为其供电,必须首先将直流电逆变为交流电,这一功能是由功率电子模块 (PEM)完成。

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特斯拉汽车的功率电子模块使用 72 个绝缘栅双极晶体管(IGBT)将直流电转换为交流电。除了控制充电和放电速率,功率电子模块还控制电压等级、电机的 RPM(每分钟转数)、转矩和再生制动系统。该制动系统通常通过制动捕获动能,并将其反馈传输回 ESS(能量回收)。

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动力输出马达:

电池组供电给功率电子模块控制马达(交流感应(异步)电动机)转速,驱动汽车。

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感应(异步)电机的结构原理:

电机一般由定子(静止不动的部分),转子(旋转产生动能的部分),机座(连接定子和转子的壳体),散热部件等构成。

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特斯拉使用感应(异步)电动机,准确的说 是 3 相(定子绕组采用三角形连接或者星型连接),4极感应电动机(极对数是电机的一个重要参数,两极电机就是一个极对数,四极就是两个极对数。

电动机的转速n=(1-S)60f/P,S是电机的转差率,f为电源频率,P就是极对数了。当极对数固定点的时候,想要控制电机的转速只需要控制通电电压的频率就好了)。控制定子线圈的通电频率,从而产生可变强弱旋转的电磁场,与转子绕组感应磁场相对运动,转子绕组切割磁感线产生感应电动势,从而使转子绕组中产生感应电流。转子绕组中的感应电流与磁场作用,产生电磁转矩,使转子旋转。

这部分的结构比较难懂,大家可以简单理解为,控制交流电的频率,使电动机的转速变化,驱动汽车。

定子绕组采用三角形连接或者星型连接如图:

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四极的接线方式:

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定子与转子之间的转差率:

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优势:

·能忍受大幅度的工作温度变化。而相反温度大幅度变化会损坏永磁电动机。

·感应电动机的输出扭矩可以在大范围内调整,因此无需安装第二套乃至第三套传动机构。特斯拉设计的电机转速能达到12000转并且能产生最高为400Nm的扭矩,能在加速或爬坡时强制提高输出扭矩(虽然时间很短),而永磁电机的电动车要通过齿轮箱来输出更多的扭矩来实现提速。

·体积小。目前电动汽车大多数电机还是属于水冷,而采用水冷散热的电机,意味着电机体积更大,因为水路太占用体积了。

而特斯拉采用感应电机可以将体积做到西瓜大小,这样的优点是其散热更快,请不要忽视电机散热对电机体积的影响。这种设计他们的热量交换设计给小型化带来了更大的空间,不需要像其他电动车那样安装散热器,冷却风扇、水泵等散热机构,这样也降低了其热消耗率。

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体积小带来了另一个优点,大家知道电机功率= 转速*转矩 。将电机做小,就可以保证功率不变的情况下,减小电机体积,增加电机的转速,保证低速(起步)扭矩。

·重量轻。汽车界有一句行话叫做: “宁减一斤,不增十匹”。特斯拉电机体积类似西瓜大小,重量不过52公斤。转速区间可以达到0—12000转,所以无需安装多余的传动机构。所以其车身的重量有很大的优势。

缺点:

·过去感应异步电动机最大的缺陷是难以控制转子的旋转速度,但随着现代半导体控制技术的发展,这一问题已经被解决。

·异步感应电机由于单边励磁,产生单位转矩需要的很大的电流,而且定子中有无功励磁电流,因此能耗较大,功率因数滞后。

·缺点是结构复杂、采用感应(异步)电机,其控制系统复杂技术要求高,制造成本高。所以特斯拉汽车价格不菲,短时间内很难做到平民化。

小电评:

作为交流电的发明者,特斯拉对于控制交流电有着超乎常人的爱好和能力,而特斯拉电机就是交流异步电机的代表作,很显然,特斯拉汽车会追随先人的步伐一路走下去。

在现代电子芯片快速发展的背景下,过去很多难以克服的问题逐渐被攻克,特斯拉对于交流异步电机的转速控制已经达到很高水平,但是在降低能耗和提升功率方面,依然有提升的空间。

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