各種類型電機(jī)介紹及區(qū)別。
內(nèi)容簡(jiǎn)介:直流電機(jī)是電機(jī)家族里最古老的發(fā)明,其發(fā)明人就是大家耳熟能詳?shù)姆ɡ?,傳統(tǒng)直流電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子上的電樞繞組,定子上的勵(lì)磁繞組,定、轉(zhuǎn)子鐵心,機(jī)座和電刷-換向器構(gòu)成,勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁磁場(chǎng),電樞繞組提供產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流。
電機(jī),顧名思義,就是電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的裝置。任何電機(jī)既可以做電動(dòng)機(jī)(motoring)運(yùn)行,也可以做發(fā)電機(jī)(generating)運(yùn)行,其本身不產(chǎn)生能量,只是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換場(chǎng)所,但轉(zhuǎn)換過程中的損耗會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量,所以任何電機(jī)的設(shè)計(jì)包括電磁設(shè)計(jì),機(jī)械設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì),大家比較關(guān)注電功率,機(jī)械功率,損耗和效率,溫度等性能參數(shù)。
根據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)合不同,電機(jī)種類可謂繁多。但用于目前汽車驅(qū)動(dòng)的主要就是永磁同步電機(jī),異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī)),開關(guān)磁阻電機(jī),電勵(lì)磁電機(jī),直流電機(jī)。行文到此大家不免要關(guān)注這些電機(jī)都有啥不同,各有什么優(yōu)缺點(diǎn)?我們不妨在此做個(gè)簡(jiǎn)單科普吧。
直流電機(jī)
直流電機(jī)是電機(jī)家族里最古老的發(fā)明,其發(fā)明人就是大家耳熟能詳?shù)姆ɡ?,傳統(tǒng)直流電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子上的電樞繞組,定子上的勵(lì)磁繞組,定、轉(zhuǎn)子鐵心,機(jī)座和電刷-換向器構(gòu)成,勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁磁場(chǎng),電樞繞組提供產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流。
前面講過,直流電機(jī)有勵(lì)磁繞組和電樞繞組,通過控制勵(lì)磁繞組的電流可以控制磁場(chǎng)的大小,通過控制電樞繞組的電流可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小,所以直流電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是控制性能好,可以僅僅通過外接可變電阻就能近乎線性的調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
但因電刷的存在,可靠性低,維護(hù)成本高,且由于電刷接觸電阻和外接電阻引起的額外損耗較大,電機(jī)效率比較低。目前新研制的電動(dòng)汽車基本已不再采用有刷直流電機(jī),一般只用在車窗升降,驅(qū)動(dòng)雨刮等地方,且有用電子換向器取代電刷換向器的趨勢(shì)。
感應(yīng)電機(jī)
感應(yīng)電機(jī)的發(fā)明者是另一位科技大牛特斯拉,一般其定子鐵心上埋有三相交流繞組,轉(zhuǎn)子由鐵心和短接的籠型繞組組成,當(dāng)定子繞組中通以三相交流電時(shí),將產(chǎn)生一合成的空間同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),切割轉(zhuǎn)子繞組,從而在轉(zhuǎn)子籠型繞組中生成電流,該電流又會(huì)受到磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
因其轉(zhuǎn)子上不需要電刷,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性好,生產(chǎn)技術(shù)比較成熟,在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用?,F(xiàn)在有用于一些客車,但因功率密度較小,控制復(fù)雜,在乘用車上用得很少,Tesla Motor為了紀(jì)念這位大神級(jí)人物,在其前期的產(chǎn)品中使用了銅條鼠籠的感應(yīng)電機(jī),但因其總體上效率、功率密度等性能還是無法與稀土永磁電機(jī)相提并論,最新款的Model 3上已經(jīng)改用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)了。
傳統(tǒng)同步電機(jī)及永磁同步電機(jī)
同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)跟前面的感應(yīng)電機(jī)一樣,都是屬于交流電機(jī),只有定子繞組通過對(duì)稱的交流電,就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。而與異步電機(jī)不同的是其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速一致。
圖4 為傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī),其轉(zhuǎn)子凸極上纏有繞制好的勵(lì)磁繞組并通過軸上的滑環(huán)和電刷引出。即其勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)是通過外接的直流電提供。所以其控制性能比較好,功率因數(shù)和效率都可以做得比較高。但是因?yàn)樾枰饨觿?lì)磁機(jī),體積較大,電刷滑環(huán)需要定期維護(hù),所以這種電機(jī)多用于電廠發(fā)電機(jī),在汽車上比較少見。
新能源汽車上使用最多的是永磁同步電機(jī),與前不同的是其轉(zhuǎn)子鐵心沒有繞組,只有表貼的或內(nèi)置的永久磁鋼,其勵(lì)磁磁場(chǎng)就是由這些磁鋼產(chǎn)生,通過與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用而發(fā)生機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。
因?yàn)槠囆枰?jīng)常調(diào)速,電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)得比較高,所以右邊這種內(nèi)置磁鋼的永磁同步電機(jī)因其機(jī)械強(qiáng)度好更有優(yōu)勢(shì),而且對(duì)于這種內(nèi)置磁鋼的電機(jī)具有比較高的磁阻轉(zhuǎn)矩,更利于節(jié)省磁鋼用量,提升弱磁性能。
開關(guān)磁阻電機(jī)
磁阻電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī),其轉(zhuǎn)子上既沒有繞組,也沒有永磁材料,而是由硅鋼片疊成的凸極實(shí)心結(jié)構(gòu)。它是基于磁阻最小原理(磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合),通過切換定子凸極上的繞組通電次序,使得轉(zhuǎn)子不斷地移到磁阻最小的位置,從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
磁阻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固,工作可靠,成本很低,具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ蚨陙碓跔恳{(diào)速領(lǐng)域的發(fā)展頗為迅速,但因其固有的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大,振動(dòng)噪聲明顯,目前只在一些客車中得到應(yīng)用。
目前也有一些新型的混合勵(lì)磁型磁阻電機(jī),通常是在轉(zhuǎn)子磁阻槽內(nèi)插入一定的鐵氧體永磁材料,這樣因?yàn)橐肓艘徊糠钟来呸D(zhuǎn)矩,電機(jī)的性能比磁阻電機(jī)要高一些,而成本又不及稀土永磁電機(jī)那么高。
結(jié)語(yǔ)
本篇介紹了我們耳熟能詳?shù)膸卓铍姍C(jī),總而言之,直流電機(jī)因其可靠性差,性能一般,逐步被淘汰;開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)還未成熟,低速時(shí)噪聲和振動(dòng)明顯,效率也較低,屬于未來的備選方案;感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上有二次側(cè)銅耗,發(fā)熱嚴(yán)重,效率偏低,體積大,往往適合在對(duì)體積要求不嚴(yán)格的客車上應(yīng)用;電勵(lì)磁同步電機(jī)系統(tǒng)體積大,電刷滑環(huán)需要維護(hù)且存在可靠性隱患,除了用作發(fā)電機(jī)外目前還很少見。
上圖是美國(guó)能源部和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室做的幾款電機(jī)結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比,可供參考。對(duì)于體積較小的乘用車,目前還是主要以永磁同步電機(jī)為主,而且在我國(guó),稀土永磁材料的儲(chǔ)量具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)。但隨著新能源汽車爆炸式的增長(zhǎng),對(duì)新型的高功效,低成本,安全可靠的電機(jī)的研究熱情也在不斷增長(zhǎng)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)說明來自西安泰富西瑪電機(jī)(西安西瑪電機(jī)集團(tuán)股份有限公司)官方網(wǎng)站:http://m.dznw.net.cn/zixun/dianjibaike220.html
圖1 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換示意圖
根據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)合不同,電機(jī)種類可謂繁多。但用于目前汽車驅(qū)動(dòng)的主要就是永磁同步電機(jī),異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī)),開關(guān)磁阻電機(jī),電勵(lì)磁電機(jī),直流電機(jī)。行文到此大家不免要關(guān)注這些電機(jī)都有啥不同,各有什么優(yōu)缺點(diǎn)?我們不妨在此做個(gè)簡(jiǎn)單科普吧。
直流電機(jī)
直流電機(jī)是電機(jī)家族里最古老的發(fā)明,其發(fā)明人就是大家耳熟能詳?shù)姆ɡ?,傳統(tǒng)直流電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子上的電樞繞組,定子上的勵(lì)磁繞組,定、轉(zhuǎn)子鐵心,機(jī)座和電刷-換向器構(gòu)成,勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁磁場(chǎng),電樞繞組提供產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流。
圖2 法拉第及其發(fā)明的直流電機(jī)
前面講過,直流電機(jī)有勵(lì)磁繞組和電樞繞組,通過控制勵(lì)磁繞組的電流可以控制磁場(chǎng)的大小,通過控制電樞繞組的電流可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小,所以直流電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是控制性能好,可以僅僅通過外接可變電阻就能近乎線性的調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
但因電刷的存在,可靠性低,維護(hù)成本高,且由于電刷接觸電阻和外接電阻引起的額外損耗較大,電機(jī)效率比較低。目前新研制的電動(dòng)汽車基本已不再采用有刷直流電機(jī),一般只用在車窗升降,驅(qū)動(dòng)雨刮等地方,且有用電子換向器取代電刷換向器的趨勢(shì)。
感應(yīng)電機(jī)
感應(yīng)電機(jī)的發(fā)明者是另一位科技大牛特斯拉,一般其定子鐵心上埋有三相交流繞組,轉(zhuǎn)子由鐵心和短接的籠型繞組組成,當(dāng)定子繞組中通以三相交流電時(shí),將產(chǎn)生一合成的空間同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),切割轉(zhuǎn)子繞組,從而在轉(zhuǎn)子籠型繞組中生成電流,該電流又會(huì)受到磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
圖3 特斯拉及其發(fā)明的感應(yīng)電機(jī)
因其轉(zhuǎn)子上不需要電刷,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性好,生產(chǎn)技術(shù)比較成熟,在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用?,F(xiàn)在有用于一些客車,但因功率密度較小,控制復(fù)雜,在乘用車上用得很少,Tesla Motor為了紀(jì)念這位大神級(jí)人物,在其前期的產(chǎn)品中使用了銅條鼠籠的感應(yīng)電機(jī),但因其總體上效率、功率密度等性能還是無法與稀土永磁電機(jī)相提并論,最新款的Model 3上已經(jīng)改用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)了。
傳統(tǒng)同步電機(jī)及永磁同步電機(jī)
同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)跟前面的感應(yīng)電機(jī)一樣,都是屬于交流電機(jī),只有定子繞組通過對(duì)稱的交流電,就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。而與異步電機(jī)不同的是其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速一致。
圖4 為傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī),其轉(zhuǎn)子凸極上纏有繞制好的勵(lì)磁繞組并通過軸上的滑環(huán)和電刷引出。即其勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)是通過外接的直流電提供。所以其控制性能比較好,功率因數(shù)和效率都可以做得比較高。但是因?yàn)樾枰饨觿?lì)磁機(jī),體積較大,電刷滑環(huán)需要定期維護(hù),所以這種電機(jī)多用于電廠發(fā)電機(jī),在汽車上比較少見。
圖4 電勵(lì)磁同步電機(jī)
新能源汽車上使用最多的是永磁同步電機(jī),與前不同的是其轉(zhuǎn)子鐵心沒有繞組,只有表貼的或內(nèi)置的永久磁鋼,其勵(lì)磁磁場(chǎng)就是由這些磁鋼產(chǎn)生,通過與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用而發(fā)生機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。
圖5 兩種不同轉(zhuǎn)子的永磁電機(jī)
因?yàn)槠囆枰?jīng)常調(diào)速,電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)得比較高,所以右邊這種內(nèi)置磁鋼的永磁同步電機(jī)因其機(jī)械強(qiáng)度好更有優(yōu)勢(shì),而且對(duì)于這種內(nèi)置磁鋼的電機(jī)具有比較高的磁阻轉(zhuǎn)矩,更利于節(jié)省磁鋼用量,提升弱磁性能。
開關(guān)磁阻電機(jī)
磁阻電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī),其轉(zhuǎn)子上既沒有繞組,也沒有永磁材料,而是由硅鋼片疊成的凸極實(shí)心結(jié)構(gòu)。它是基于磁阻最小原理(磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合),通過切換定子凸極上的繞組通電次序,使得轉(zhuǎn)子不斷地移到磁阻最小的位置,從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
圖6 開關(guān)磁阻電機(jī)
磁阻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固,工作可靠,成本很低,具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ蚨陙碓跔恳{(diào)速領(lǐng)域的發(fā)展頗為迅速,但因其固有的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大,振動(dòng)噪聲明顯,目前只在一些客車中得到應(yīng)用。
目前也有一些新型的混合勵(lì)磁型磁阻電機(jī),通常是在轉(zhuǎn)子磁阻槽內(nèi)插入一定的鐵氧體永磁材料,這樣因?yàn)橐肓艘徊糠钟来呸D(zhuǎn)矩,電機(jī)的性能比磁阻電機(jī)要高一些,而成本又不及稀土永磁電機(jī)那么高。
結(jié)語(yǔ)
本篇介紹了我們耳熟能詳?shù)膸卓铍姍C(jī),總而言之,直流電機(jī)因其可靠性差,性能一般,逐步被淘汰;開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)還未成熟,低速時(shí)噪聲和振動(dòng)明顯,效率也較低,屬于未來的備選方案;感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上有二次側(cè)銅耗,發(fā)熱嚴(yán)重,效率偏低,體積大,往往適合在對(duì)體積要求不嚴(yán)格的客車上應(yīng)用;電勵(lì)磁同步電機(jī)系統(tǒng)體積大,電刷滑環(huán)需要維護(hù)且存在可靠性隱患,除了用作發(fā)電機(jī)外目前還很少見。
圖7不同電機(jī)及其性能對(duì)比
上圖是美國(guó)能源部和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室做的幾款電機(jī)結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比,可供參考。對(duì)于體積較小的乘用車,目前還是主要以永磁同步電機(jī)為主,而且在我國(guó),稀土永磁材料的儲(chǔ)量具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)。但隨著新能源汽車爆炸式的增長(zhǎng),對(duì)新型的高功效,低成本,安全可靠的電機(jī)的研究熱情也在不斷增長(zhǎng)。
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