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详解电动汽车用电机

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  • 发布时间:2015/10/26 16:56:23
  • 作者:ljl_yinhe

  目前传统汽车市场处于下行趋势,国内汽车同比产销量已持续下降,与之截然不同的是,新能源汽车行业景气度持续走高,2013年特斯拉电动跑车的推出,将电动汽车的关注度提高到前所未有的高度。电动汽车的动力输出,选用的是什么电机呢?

目前电动汽车用电机类型

  目前小型乘用电动汽车采用的电机基本可以分为异步电机和永磁同步电机两个阵营。

  特斯拉“Model S”高性能电动跑车采用的是异步电机,比亚迪“秦”油电混合动力汽车采用的是永磁同步电机,宝马i3、i8油电混合动力汽车采用的是“混合”同步电机,其实也是基于永磁同步电机加磁阻电机的原理来设计的。

  异步电机又称为感应电动机,物理学家特斯拉于1883年发明制造了世界上第一台感应电机模型。异步电机在定子绕组加三相交流电后,会形成旋转磁场,其转子上的闭合的导条会因为切割定子磁场的磁力线而感应出电势和电流,而带电(电流)的导体在磁场中就会产生运动,这样电动机转子就旋转起来了。旋转磁场的速度和转子旋转速度不同步,存在转差率s,所以称为异步电机。

  同步电机与异步电机的定子绕组是相同的,区别在于电机的转子结构,异步电机的转子是短路的绕组,靠电磁感应产生电流,而同步电机的转子结构相对复杂,有直流励磁绕组,外加励磁电源。永磁同步电机是同步电机的一种,采用永磁体取代转子直流绕组,建立转子磁场。

电动汽车选用电机的特性

  下面从异步电机和永磁同步电机的特性来分析,为什么不同的厂家会选择不同类型的电机。

  异步电机的优点:结构简单、造价成本低、高速时效率不会降低,缺点是整体效率低。

  永磁同步电机的优点:效率高、缺点是成本高、永磁体失磁,高速时效率较低(铁损非常大)。

01电机效率

  异步电机在工作时,转子绕组要吸收部分电能励磁,这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉,它降低了异步电机的效率。

  永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后,由永磁体来建立转子磁场,在正常工作时转子与定子磁场同步运行,转子中无感应电流,不存在转子电阻损耗,提高了永磁同步电机的效率。

  所以永磁同步电机与异步电机相比,在效率方面具有明显的优势。但是,特斯拉的独到之处在其异步电机转子方面采用了其专利技术和的特殊的安装工艺,大大提高了异步电机的效率。

  传统异步电机转子,使用铜条插入转子铁芯,将铜条末端和端环焊接起来,形成闭合的鼠笼。如图1所示。

鼠笼式异步电机转子结构图

图1 鼠笼式异步电机转子结构图

  铜条末端与端环的接触面积决定着整个鼠笼转子的导电性能,影响电机的运行效率,端环的自身强度与焊接点强度决定着电机的可靠性。

鼠笼转子焊点断开

图2 鼠笼转子焊点断开

  特斯拉的专利技术是在传统铜条安装的基础上再间隔插入稍长一些的铜片,最后使用一个禁锢环将所有的铜片固定,铜条与铜片间接触面积很大,增高了导电性能,提高了运行效率。特斯拉电机的效率已经接近永磁同步电机的效率。

 特斯拉异步电机转子专利技术

图3 特斯拉异步电机转子专利技术

02电机高速性能

  异步电机的转速为:n=60f(1-s)/p,永磁同步电机的转速为:n=60f/p,其中f为供电频率,p为电机的极对数。异步电机可以通过改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s达到调速目的。永磁同步电机可以通过改变供电频率f、电动机的极对数p达到调速目的。当电机的极对数为固定的情况下,异步电机可以变频、变转差率进行调速,而永磁同步电机只可通过变频调速

  当电动汽车需要高速度时,永磁同步电机只能提高供电频率来增加转速,但是电机的铁损逐渐增加,随着速度越来越快,在高频时铁损逐渐成为电机内部的主要损耗。

  所以,永磁同步电机在高转速时的效率会降低,而异步电机可以通过采用变转差率来提高转速,高转速的效率可以保持基本稳定。

03电机成本

  永磁同步电机的永磁体原料为稀土,稀土作为有限资源,并且结构相对复杂,制造成本高。同等级永磁同步电机的价格是异步电机的2~3倍以上。

04永磁同步电机有失磁风险

  我们在中学的物理中学过,一根磁化的针,使其退磁的方法有:1、火上烤,2、在地面上反复摔打。

  所以,永磁同步电机的永磁体在高温(相关文献中说永磁体达到140度,会发生不可逆的退磁现象)和强烈机械振动等的外部影响,随着时间的推移会发生消磁现象,降低电机的可靠性和效率。

  采用永磁同步电机的电动汽车,会在电机散热、缓冲方面做加强设计,这部分会增加空间结构和成本。

总结

  电动汽车电机的选择,不同的电动汽车厂商一定是出于各方能综合的考虑,我这里只是作为一个简单的总结。

  特斯拉“Model S”纯电动跑车注重运动性能,出厂最高速度可达225Km/h,效率不是第一考虑点,并且其采用了新的专利技术,提高了异步电机的效率。牺牲的那一点效率,换取的是成本的节约,并且无需另外设计散热,节约空间。

  对于油电混合动力汽车,其设计的出发点就是为了节能,选用电机的第一考虑要素就是效率,所以永磁同步电机是第一选择。并且由于是油电混合,可以弥补永磁同步电机在高转速时效率下降的问题。


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