交流異步電機

傳統(tǒng)燃油車時代，發(fā)動機被稱為汽車的心臟，因為它是能量轉化的核心部件。而在電動汽車時代，人們更關心的是電池儲能問題，反而忽視了對電機的關注。雖然電機運用在生活中的方方面面，但驅動電機由于對于功率、轉矩、散熱、噪音、輸出脈沖等方面的要求更高，因此在技術方面依然有很多可做的文章。今天小電跟大家一起簡單認識一下動力電機的一些基本知識。

電機按能量轉換方式的不同，一般可以分為電動機、發(fā)電機兩項功能。按供能類型可選用直流、交流、永磁無刷或開關磁阻等幾種電動機。其中適合于新能源汽車的驅動的電機主要有永磁同步電機、交流異步電機和開關磁阻電機三大類。因其結構和控制特點不同，在汽車市場上選用的范圍也有所不同。

交流異步電機結構圖

在乘用車領域，目前運用主要分為感應（異步）電機與永磁（同步）電機量大流派，前者的主要代表是特斯拉，而后者更為主流，寶馬以及國內大部分電動車廠家都有運用。這兩者之間有什么不同呢？

永磁電動機是同步電動機。其轉子使用永磁體，定子產(chǎn)生電磁轉矩來推動轉子的磁場圍繞軸心線進行旋轉，定子和轉子的磁場是同步的。而感應電動機是異步電動機，是由定子繞組形成的旋轉磁場與轉子繞組中感應電流的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉矩驅動轉子旋轉的交流電動機。

在商用車領域，開關磁阻電機的運用也很廣泛，而且其發(fā)展前景也被看好，主要的優(yōu)勢它不需要使用永磁材料，對于稀土沒有依賴性，甚至連電機常見的銅線圈也不用，造價可以控制地比較低。開關磁阻電機有兩個基本特征：1、開關性，電機必須工作在一種連續(xù)的開關模式。2、磁阻性，它是真正的磁阻電機，定、轉子具有可變磁阻磁路，更確切地說，是一種雙凸極電機。

性能方面，開關磁阻電機的調速非常靈活，不但可以通過改變電壓，而且可以通過改變導通和關斷角度，擁有很好的調速范圍和能力。轉矩密度和效率也能做到接近永磁同步電機的水平，強于感應電機。

不過，開關磁阻電機主要不足是轉矩脈動仍然較大，振動噪音也比其他電機大，對于乘用車而言，這個問題顯然是難以接受的，因此暫時還沒有大規(guī)模運用。

本期，我們重點看看交流異步電機的特點。

感應（異步）電動機的發(fā)展歷史：

尼古拉·特斯拉作為電力祖師爺級別人物，當年為了和愛迪生的直流電系統(tǒng)對抗，發(fā)明了三相交流電（動力電），還發(fā)明了交流電的三相交流異步電機，也就是特斯拉汽車的動力心臟的鼻祖。另外，其發(fā)明貢獻還有特斯拉線圈、特斯拉效應、特斯拉變壓器（交變壓遠程送電技術）、特斯拉無線遠程控制系統(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項發(fā)明，分布在科學和工程學各個領域?，F(xiàn)在的特斯拉汽車以此命名，其實就是向這位杰出貢獻者致敬，同時，也決定了特斯拉汽車肯定會在這種電機道路上堅持走下去并發(fā)揚光大。

電動汽車的整個動力心臟和內燃汽車完全不同，一般由儲存電能的儲能機構（ESS），將能量輸出給轉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動執(zhí)行電機（馬達）。

儲能（ESS）

汽車儲能系統(tǒng)只能儲存直流電，而感應電動機使用的是交流電，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 個絕緣柵雙極晶體管（IGBT）將直流電轉換為交流電。除了控制充電和放電速率，功率電子模塊還控制電壓等級、電機的 RPM（每分鐘轉數(shù)）、轉矩和再生制動系統(tǒng)。該制動系統(tǒng)通常通過制動捕獲動能，并將其反饋傳輸回 ESS（能量回收）。

動力輸出馬達：

電池組供電給功率電子模塊控制馬達（交流感應（異步）電動機）轉速，驅動汽車。

感應（異步）電機的結構原理：

電機一般由定子（靜止不動的部分），轉子（旋轉產(chǎn)生動能的部分），機座（連接定子和轉子的殼體），散熱部件等構成。

電動機基本結構圖

特斯拉使用感應（異步）電動機，準確的說 是 3 相（定子繞組采用三角形連接或者星型連接），4極感應電動機（極對數(shù)是電機的一個重要參數(shù)，兩極電機就是一個極對數(shù)，四極就是兩個極對數(shù)。電動機的轉速n=（1-S）60f/P，S是電機的轉差率，f為電源頻率，P就是極對數(shù)了。當極對數(shù)固定點的時候，想要控制電機的轉速只需要控制通電電壓的頻率就好了）。控制定子線圈的通電頻率，從而產(chǎn)生可變強弱旋轉的電磁場，與轉子繞組感應磁場相對運動，轉子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢，從而使轉子繞組中產(chǎn)生感應電流。轉子繞組中的感應電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉矩，使轉子旋轉。

這部分的結構比較難懂，大家可以簡單理解為，控制交流電的頻率，使電動機的轉速變化，驅動汽車。

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：

定子與轉子之間的轉差率：

優(yōu)勢：

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損壞永磁電動機。

2.感應電動機的輸出扭矩可以在大范圍內調整，因此無需安裝第二套乃至第三套傳動機構。特斯拉設計的電機轉速能達到12000轉并且能產(chǎn)生最高為400Nm的扭矩，能在加速或爬坡時強制提高輸出扭矩（雖然時間很短），而永磁電機的電動車要通過齒輪箱來輸出更多的扭矩來實現(xiàn)提速。

3.體積小。目前電動汽車大多數(shù)電機還是屬于水冷，而采用水冷散熱的電機，意味著電機體積更大，因為水路太占用體積了。而特斯拉采用感應電機可以將體積做到西瓜大小，這樣的優(yōu)點是其散熱更快，請不要忽視電機散熱對電機體積的影響。這種設計他們的熱量交換設計給小型化帶來了更大的空間，不需要像其他電動車那樣安裝散熱器，冷卻風扇、水泵等散熱機構，這樣也降低了其熱消耗率。

體積小帶來了另一個優(yōu)點，大家知道電機功率= 轉速*轉矩 。將電機做小，就可以保證功率不變的情況下，減小電機體積，增加電機的轉速，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”。特斯拉電機體積類似西瓜大小，重量不過52公斤。轉速區(qū)間可以達到0—12000轉，所以無需安裝多余的傳動機構。所以其車身的重量有很大的優(yōu)勢。

缺點：

1.過去感應異步電動機最大的缺陷是難以控制轉子的旋轉速度，但隨著現(xiàn)代半導體控制技術的發(fā)展，這一問題已經(jīng)被解決。

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

3.缺點是結構復雜、采用感應（異步）電機，其控制系統(tǒng)復雜技術要求高，制造成本高。所以特斯拉汽車價格不菲，短時間內很難做到平民化。

小電評：

作為交流電的發(fā)明者，特斯拉對于控制交流電有著超乎常人的愛好和能力，而特斯拉電機就是交流異步電機的代表作，很顯然，特斯拉汽車會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，特斯拉對于交流異步電機的轉速控制已經(jīng)達到很高水平，但是在降低能耗和提升功率方面，依然有提升的空間。