交流異步電機(jī)

傳統(tǒng)燃油車時(shí)代，發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為汽車的心臟，因?yàn)樗悄芰哭D(zhuǎn)化的核心部件。而在電動(dòng)汽車時(shí)代，人們更關(guān)心的是電池儲(chǔ)能問題，反而忽視了對(duì)電機(jī)的關(guān)注。雖然電機(jī)運(yùn)用在生活中的方方面面，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于對(duì)于功率、轉(zhuǎn)矩、散熱、噪音、輸出脈沖等方面的要求更高，因此在技術(shù)方面依然有很多可做的文章。今天小電跟大家一起簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)一下動(dòng)力電機(jī)的一些基本知識(shí)。

電機(jī)按能量轉(zhuǎn)換方式的不同，一般可以分為電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)兩項(xiàng)功能。按供能類型可選用直流、交流、永磁無刷或開關(guān)磁阻等幾種電動(dòng)機(jī)。其中適合于新能源汽車的驅(qū)動(dòng)的電機(jī)主要有永磁同步電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)三大類。因其結(jié)構(gòu)和控制特點(diǎn)不同，在汽車市場(chǎng)上選用的范圍也有所不同。

交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

在乘用車領(lǐng)域，目前運(yùn)用主要分為感應(yīng)（異步）電機(jī)與永磁（同步）電機(jī)量大流派，前者的主要代表是特斯拉，而后者更為主流，寶馬以及國(guó)內(nèi)大部分電動(dòng)車廠家都有運(yùn)用。這兩者之間有什么不同呢？

永磁電動(dòng)機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)。其轉(zhuǎn)子使用永磁體，定子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來推動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)圍繞軸心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)是同步的。而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是異步電動(dòng)機(jī)，是由定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的交流電動(dòng)機(jī)。

在商用車領(lǐng)域，開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)用也很廣泛，而且其發(fā)展前景也被看好，主要的優(yōu)勢(shì)它不需要使用永磁材料，對(duì)于稀土沒有依賴性，甚至連電機(jī)常見的銅線圈也不用，造價(jià)可以控制地比較低。開關(guān)磁阻電機(jī)有兩個(gè)基本特征：1、開關(guān)性，電機(jī)必須工作在一種連續(xù)的開關(guān)模式。2、磁阻性，它是真正的磁阻電機(jī)，定、轉(zhuǎn)子具有可變磁阻磁路，更確切地說，是一種雙凸極電機(jī)。

性能方面，開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速非常靈活，不但可以通過改變電壓，而且可以通過改變導(dǎo)通和關(guān)斷角度，擁有很好的調(diào)速范圍和能力。轉(zhuǎn)矩密度和效率也能做到接近永磁同步電機(jī)的水平，強(qiáng)于感應(yīng)電機(jī)。

不過，開關(guān)磁阻電機(jī)主要不足是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然較大，振動(dòng)噪音也比其他電機(jī)大，對(duì)于乘用車而言，這個(gè)問題顯然是難以接受的，因此暫時(shí)還沒有大規(guī)模運(yùn)用。

本期，我們重點(diǎn)看看交流異步電機(jī)的特點(diǎn)。

感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史：

尼古拉·特斯拉作為電力祖師爺級(jí)別人物，當(dāng)年為了和愛迪生的直流電系統(tǒng)對(duì)抗，發(fā)明了三相交流電（動(dòng)力電），還發(fā)明了交流電的三相交流異步電機(jī)，也就是特斯拉汽車的動(dòng)力心臟的鼻祖。另外，其發(fā)明貢獻(xiàn)還有特斯拉線圈、特斯拉效應(yīng)、特斯拉變壓器（交變壓遠(yuǎn)程送電技術(shù)）、特斯拉無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以及著名的尼亞加拉水電站等都是出自他的研究。一生獲得了大約1000項(xiàng)發(fā)明，分布在科學(xué)和工程學(xué)各個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)在的特斯拉汽車以此命名，其實(shí)就是向這位杰出貢獻(xiàn)者致敬，同時(shí)，也決定了特斯拉汽車肯定會(huì)在這種電機(jī)道路上堅(jiān)持走下去并發(fā)揚(yáng)光大。

電動(dòng)汽車的整個(gè)動(dòng)力心臟和內(nèi)燃汽車完全不同，一般由儲(chǔ)存電能的儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)（ESS），將能量輸出給轉(zhuǎn)換器和功率控制模塊（PEM）通過控制傳感器感知駕駛員操作需求和路況來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)（馬達(dá)）。

儲(chǔ)能（ESS）

汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)只能儲(chǔ)存直流電，而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)使用的是交流電，要想為其供電，必須首先將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，這一功能是由功率電子模塊 （PEM）完成。

轉(zhuǎn)換器和功率控制模塊（PEM）

特斯拉汽車的功率電子模塊使用 72 個(gè)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。除了控制充電和放電速率，功率電子模塊還控制電壓等級(jí)、電機(jī)的 RPM（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）、轉(zhuǎn)矩和再生制動(dòng)系統(tǒng)。該制動(dòng)系統(tǒng)通常通過制動(dòng)捕獲動(dòng)能，并將其反饋傳輸回 ESS（能量回收）。

動(dòng)力輸出馬達(dá)：

電池組供電給功率電子模塊控制馬達(dá)（交流感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)汽車。

感應(yīng)（異步）電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理：

電機(jī)一般由定子（靜止不動(dòng)的部分），轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)能的部分），機(jī)座（連接定子和轉(zhuǎn)子的殼體），散熱部件等構(gòu)成。

電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

特斯拉使用感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)確的說 是 3 相（定子繞組采用三角形連接或者星型連接），4極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（極對(duì)數(shù)是電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，兩極電機(jī)就是一個(gè)極對(duì)數(shù)，四極就是兩個(gè)極對(duì)數(shù)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=（1-S）60f/P，S是電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，f為電源頻率，P就是極對(duì)數(shù)了。當(dāng)極對(duì)數(shù)固定點(diǎn)的時(shí)候，想要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速只需要控制通電電壓的頻率就好了）?？刂贫ㄗ泳€圈的通電頻率，從而產(chǎn)生可變強(qiáng)弱旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

這部分的結(jié)構(gòu)比較難懂，大家可以簡(jiǎn)單理解為，控制交流電的頻率，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，驅(qū)動(dòng)汽車。

定子繞組采用三角形連接或者星型連接如圖：

四極的接線方式：

定子與轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差率：

優(yōu)勢(shì)：

1.能忍受大幅度的工作溫度變化。而相反溫度大幅度變化會(huì)損壞永磁電動(dòng)機(jī)。

2.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩可以在大范圍內(nèi)調(diào)整，因此無需安裝第二套乃至第三套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。特斯拉設(shè)計(jì)的電機(jī)轉(zhuǎn)速能達(dá)到12000轉(zhuǎn)并且能產(chǎn)生最高為400Nm的扭矩，能在加速或爬坡時(shí)強(qiáng)制提高輸出扭矩（雖然時(shí)間很短），而永磁電機(jī)的電動(dòng)車要通過齒輪箱來輸出更多的扭矩來實(shí)現(xiàn)提速。

3.體積小。目前電動(dòng)汽車大多數(shù)電機(jī)還是屬于水冷，而采用水冷散熱的電機(jī)，意味著電機(jī)體積更大，因?yàn)樗诽加皿w積了。而特斯拉采用感應(yīng)電機(jī)可以將體積做到西瓜大小，這樣的優(yōu)點(diǎn)是其散熱更快，請(qǐng)不要忽視電機(jī)散熱對(duì)電機(jī)體積的影響。這種設(shè)計(jì)他們的熱量交換設(shè)計(jì)給小型化帶來了更大的空間，不需要像其他電動(dòng)車那樣安裝散熱器，冷卻風(fēng)扇、水泵等散熱機(jī)構(gòu)，這樣也降低了其熱消耗率。

體積小帶來了另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，大家知道電機(jī)功率= 轉(zhuǎn)速*轉(zhuǎn)矩 。將電機(jī)做小，就可以保證功率不變的情況下，減小電機(jī)體積，增加電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證低速（起步）扭矩。

4.重量輕。汽車界有一句行話叫做： “寧減一斤，不增十匹”。特斯拉電機(jī)體積類似西瓜大小，重量不過52公斤。轉(zhuǎn)速區(qū)間可以達(dá)到0—12000轉(zhuǎn)，所以無需安裝多余的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。所以其車身的重量有很大的優(yōu)勢(shì)。

缺點(diǎn)：

1.過去感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)最大的缺陷是難以控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，但隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體控制技術(shù)的發(fā)展，這一問題已經(jīng)被解決。

2.異步感應(yīng)電機(jī)由于單邊勵(lì)磁，產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)矩需要的很大的電流，而且定子中有無功勵(lì)磁電流，因此能耗較大，功率因數(shù)滯后。

3.缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用感應(yīng)（異步）電機(jī)，其控制系統(tǒng)復(fù)雜技術(shù)要求高，制造成本高。所以特斯拉汽車價(jià)格不菲，短時(shí)間內(nèi)很難做到平民化。

小電評(píng)：

作為交流電的發(fā)明者，特斯拉對(duì)于控制交流電有著超乎常人的愛好和能力，而特斯拉電機(jī)就是交流異步電機(jī)的代表作，很顯然，特斯拉汽車會(huì)追隨先人的步伐一路走下去。在現(xiàn)代電子芯片快速發(fā)展的背景下，過去很多難以克服的問題逐漸被攻克，特斯拉對(duì)于交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制已經(jīng)達(dá)到很高水平，但是在降低能耗和提升功率方面，依然有提升的空間。