各種類(lèi)型電機介紹及區別。

      電機，顧名思義，就是電能和機械能轉換的裝置。任何電機既可以做電動(dòng)機(motoring)運行，也可以做發(fā)電機(generating)運行，其本身不產(chǎn)生能量，只是實(shí)現機電能量的轉換場(chǎng)所，但轉換過(guò)程中的損耗會(huì )轉換成熱量，所以任何電機的設計包括電磁設計，機械設計和熱設計，大家比較關(guān)注電功率，機械功率，損耗和效率，溫度等性能參數。

圖1 機電能量轉換示意圖

      根據結構和應用場(chǎng)合不同，電機種類(lèi)可謂繁多。但用于目前汽車(chē)驅動(dòng)的主要就是永磁同步電機，異步電機(感應電機)，開(kāi)關(guān)磁阻電機，電勵磁電機，直流電機。行文到此大家不免要關(guān)注這些電機都有啥不同，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

      直流電機是電機家族里最古老的發(fā)明，其發(fā)明人就是大家耳熟能詳的法拉第，傳統直流電機主要由轉子上的電樞繞組，定子上的勵磁繞組，定、轉子鐵心，機座和電刷-換向器構成，勵磁繞組提供勵磁磁場(chǎng)，電樞繞組提供產(chǎn)生轉矩的電流。

圖2 法拉第及其發(fā)明的直流電機

      前面講過(guò)，直流電機有勵磁繞組和電樞繞組，通過(guò)控制勵磁繞組的電流可以控制磁場(chǎng)的大小，通過(guò)控制電樞繞組的電流可以調節轉矩大小，所以直流電機最大的優(yōu)點(diǎn)是控制性能好，可以?xún)H僅通過(guò)外接可變電阻就能近乎線(xiàn)性的調節電機的輸出轉速和轉矩。

      但因電刷的存在，可靠性低，維護成本高，且由于電刷接觸電阻和外接電阻引起的額外損耗較大，電機效率比較低。目前新研制的電動(dòng)汽車(chē)基本已不再采用有刷直流電機，一般只用在車(chē)窗升降，驅動(dòng)雨刮等地方，且有用電子換向器取代電刷換向器的趨勢。

感應電機

      感應電機的發(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，轉子由鐵心和短接的籠型繞組組成，當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磁場(chǎng)，切割轉子繞組，從而在轉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，驅動(dòng)轉子旋轉。

圖3 特斯拉及其發(fā)明的感應電機

      因其轉子上不需要電刷，結構簡(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在有用于一些客車(chē)，但因功率密度較小，控制復雜，在乘用車(chē)上用得很少，Tesla Motor為了紀念這位大神級人物，在其前期的產(chǎn)品中使用了銅條鼠籠的感應電機，但因其總體上效率、功率密度等性能還是無(wú)法與稀土永磁電機相提并論，最新款的Model 3上已經(jīng)改用永磁同步電機作為驅動(dòng)電機了。

傳統同步電機及永磁同步電機

      同步電機的定子結構跟前面的感應電機一樣，都是屬于交流電機，只有定子繞組通過(guò)對稱(chēng)的交流電，就會(huì )在氣隙中產(chǎn)生一定的旋轉磁動(dòng)勢。而與異步電機不同的是其轉子轉速與旋轉磁場(chǎng)的轉速一致。

      圖4 為傳統的電勵磁同步電機，其轉子凸極上纏有繞制好的勵磁繞組并通過(guò)軸上的滑環(huán)和電刷引出。即其勵磁磁動(dòng)勢是通過(guò)外接的直流電提供。所以其控制性能比較好，功率因數和效率都可以做得比較高。但是因為需要外接勵磁機，體積較大，電刷滑環(huán)需要定期維護，所以這種電機多用于電廠(chǎng)發(fā)電機，在汽車(chē)上比較少見(jiàn)。

圖4 電勵磁同步電機

      新能源汽車(chē)上使用最多的是永磁同步電機，與前不同的是其轉子鐵心沒(méi)有繞組，只有表貼的或內置的永久磁鋼，其勵磁磁場(chǎng)就是由這些磁鋼產(chǎn)生，通過(guò)與定子產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)作用而發(fā)生機電能量轉換。

圖5 兩種不同轉子的永磁電機

      因為汽車(chē)需要經(jīng)常調速，電機的轉速設計得比較高，所以右邊這種內置磁鋼的永磁同步電機因其機械強度好更有優(yōu)勢，而且對于這種內置磁鋼的電機具有比較高的磁阻轉矩，更利于節省磁鋼用量，提升弱磁性能。

開(kāi)關(guān)磁阻電機

      磁阻電機是一種新型結構的電機，其轉子上既沒(méi)有繞組，也沒(méi)有永磁材料，而是由硅鋼片疊成的凸極實(shí)心結構。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(guò)切換定子凸極上的繞組通電次序，使得轉子不斷地移到磁阻最小的位置，從而驅動(dòng)轉子旋轉。

圖6 開(kāi)關(guān)磁阻電機

      磁阻結構簡(jiǎn)單、堅固，工作可靠，成本很低，具有很大的發(fā)展潛力，因而近年來(lái)在牽引調速領(lǐng)域的發(fā)展頗為迅速，但因其固有的轉矩波動(dòng)大，振動(dòng)噪聲明顯，目前只在一些客車(chē)中得到應用。

      目前也有一些新型的混合勵磁型磁阻電機，通常是在轉子磁阻槽內插入一定的鐵氧體永磁材料，這樣因為引入了一部分永磁轉矩，電機的性能比磁阻電機要高一些，而成本又不及稀土永磁電機那么高。

結語(yǔ)

      本篇介紹了我們耳熟能詳的幾款電機，總而言之，直流電機因其可靠性差，性能一般，逐步被淘汰;開(kāi)關(guān)磁阻電機的控制技術(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(lái)的備選方案;感應電機轉子上有二次側銅耗，發(fā)熱嚴重，效率偏低，體積大，往往適合在對體積要求不嚴格的客車(chē)上應用;電勵磁同步電機系統體積大，電刷滑環(huán)需要維護且存在可靠性隱患，除了用作發(fā)電機外目前還很少見(jiàn)。

圖7不同電機及其性能對比

      上圖是美國能源部和橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室做的幾款電機結構及性能對比，可供參考。對于體積較小的乘用車(chē)，目前還是主要以永磁同步電機為主，而且在我國，稀土永磁材料的儲量具有得天獨厚的資源優(yōu)勢。但隨著(zhù)新能源汽車(chē)爆炸式的增長(cháng)，對新型的高功效，低成本，安全可靠的電機的研究熱情也在不斷增長(cháng)。

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