交流异步电机与永磁同步电机有何区别?到底谁更好?

文章来源:新浪汽车 发布时间:2021-05-17
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本篇我们就来研究下电机的两种主要形式,交流异步与永磁同步,它们有何优缺点。
交流异步电机与永磁同步电机有何区别?到底谁更好?

从能量守恒的角度来看,传统燃油车的发动机通过化学能变成机械能,即便热效率能达到夸张的50%,其能量转化率也非常低,毕竟发动机输出的能量还要经过变速箱、传动轴才能抵达车轮,同时还有一部分能量通过排气和冷却系统浪费掉了。而电动车则不一样,动力电池中的化学能通过电子转移产生电流,再通过电缆直接带动电动机做功,其能量利用率可达到80%-90%。举个简单的例子,百公里电耗16kWh的电动车,每行驶一百公里消耗16X3.6X10^6=5.76X10^7焦耳能量。对比百公里油耗为8L的燃油车,一升汽油的质量大约为0.73kg,汽油热值为4.6*10^7J/kg,百公里消耗0.73X8X4.6X10^7=2.686*10^8焦耳能量,是电动车的5倍之多。而电动车损失的10%-20%能量消耗在电池内阻、电控系统和电机内部,其中大部分的能量损失在电机。所以,如果电机的能量利用率能再提高,可以进一步节省电能提升续航里程。本篇我们就来研究下电机的两种主要形式,交流异步与永磁同步,它们有何优缺点。

交流异步电机
交流异步电机与永磁同步电机有何区别?到底谁更好?

三相交流异步电机也叫感应电机,由外壳固定的定子,和里面的转子组成。定子由硅钢片叠压,并在其上绕上线圈(绕组),给线圈通电即能产生磁场。由于使用的是三相交流电,所以,线圈在定子内每120度为一个单元,共三个单元,相互对称排列。三个独立绕组组合在一起形成一个360度的圆柱形定子。转子铁芯同样由硅钢片叠压而成,其上也绕上导电杆(绕组)。转子是不通电的,转子的电流来自于切割定子的磁力线,所以叫感应电机。

定子通电产生磁场,转子则在定子产生的磁场中做“导体切割磁感线运动”,产生了感应电流。这个电流在旋转的磁场中又受到安培力的作用,使转子转动,但是转子的转速和定子产生的磁场的速度不一样,也就是“异步”的意思。

交流异步电机中,由于没有磁铁,磁场来自于定子中的通电绕组,所以外界环境不会影响它的性能,可靠性高、成本低、对温度不太敏感,所以很多高性能电动车会用交流异步电机,如特斯拉前后双电机车型,前面的电机就用到交流异步电机。缺点也比较明显,就是功率密度低,想提高功率只能把电机做的越来越大,会占用电动车更多的空间。同时,还需要逆变器将电池输出的直流电变成交流电,逆变器也会损耗一部分电能。

永磁同步电机
交流异步电机与永磁同步电机有何区别?到底谁更好?

在说永磁同步电机前,我们先来看看小时候玩的四驱车电机。它由强磁铁、绕组转子、碳刷组成,一个好的高速小马达价格在大几百元。四驱车上用的小马达叫直流永磁碳刷电机,看名字,与永磁同步电机差不多了。

交流异步电机与永磁同步电机有何区别?到底谁更好?

永磁同步电机也是由绕组、强磁铁组成,为了省去碳刷这个耗材,它将定子做成了绕组(与交流异步电机相似),而转子则由永磁材料打造。工作原理如下:

直流永磁同步电机工作原理

直流永磁同步电机工作原理 

过逆变器将直流电变成交流电,给定子上的线圈通过正玄波三相电,每120°(上图绿蓝红线圈)就会制造一个吸引转子永磁体的磁场,从而使转子瞬间旋转,不存在时间差所以叫同步电机。永磁同步电机的关键在于转子上的永磁材料,现在多数用的是钕铁硼材料制作,而钕则来自于稀土,成本较高,永磁同步电机的优势是能量转换效率高、体积小功率大,多用在长续航电动车上,以及部分混动车的变速箱中;缺点也比较明显,就是永磁材料容易受热而发生退磁,所以要对电机的冷却系统设计多费心。如某些主机厂宣传的:弹射起步10次不衰减,高速巡航不衰减等,其实就是电机、电池的冷却系统比较强大。

写在最后

不论是交流异步电机,还是永磁同步电机,都被大量应用在纯电动车上。而永磁同步电机逐渐成为大趋势,但用于稀土材料稀缺原因,很多国外车企更喜欢用交流异步电机,并且努力提高其功率密度。像特斯拉的交流异步电机相比其他家的铝转子,特斯拉采用了铜转子并拥有专利技术,让交流异步电机也能做到体积小功率高。最后我们在通过一个动画视频再加深下记忆:



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