电机101:现代电机技术指南

电机101:现代电机技术指南

电动马达无处不在,从牙刷、冰箱和电话等家用电器,到我们日常通勤所用的飞机、火车和汽车。自从1834年发明电动机以来,工程师们一直力求使机器更完美。现在,电机技术比以往任何时候都更加多样化,有许多类别,子类型和单独的电机拓扑。但是这些马达是如何工作的呢?是什么让每种类型的马达如此不同?此外,为什么有些汽车在电动汽车中比其他汽车更受欢迎?这些是我们将在这份AVID白皮书中试图回答的几个问题。滚球体育app最新版

首先,让我们从基础开始。所有的电动机都依靠磁铁,玩过磁铁的人都知道,当你把北极(N)和南极(S)放在一起时,磁铁就会粘在一起,但当你把N和N,或S和S放在一起时,它们就会相互排斥。在一个电动机中,我们在电动机转子和定子之间的气隙中制造同样的电磁反作用力。要做到这一点,我们需要两个磁场;事实上,我们在电动机内部有许多磁极,产生许多同步反应。为了创造持续的运动,我们必须以高频率开关这些磁场,同时吸引和排斥。这种高频开关产生电动势(EMF),使电机旋转并产生我们的扭矩。

一种AVID无刷径向磁链电机的转子和定子滚球体育app最新版
一个AVID无刷径向磁链电机的转子(左)和定子(右)滚球体育app最新版

第一个磁场来自电机定子,之所以这样命名是因为它是静止的,因为它不移动。定子由一组小型电磁体组成,由导线(通常是铜)包裹在一个由磁性材料制成的特殊形状的齿上而形成。当电流通过这些导线时,就会在电磁铁周围产生一个磁场。

第二个磁场是由电机转子产生的,这往往是区分电机类型的主要点,但始终作为电机的主要运动部件。在低技术含量的“有刷”电动机中,电动机的转子是通过碳刷与换向器环相碰撞来进行机械换向的。当电机旋转时,电刷通过缠绕在转子上的不同线圈传递电流,形成电磁铁。然而,这种电机的问题是效率不高,刷会磨损。因此,无刷电机在现代变得越来越受欢迎。

有刷直流电机。
有刷直流电机运行。

最常见的无刷电机是感应电机。在这里,电机转子中感应出电流,这种设计有时被称为“松鼠笼”(得名于在变压器中充当线圈的铜棒)。定子的磁通产生一个滞后的转子磁场,产生电动势。感应电动机在工业应用中无处不在,因为其主要原理自19世纪末伽利略法拉利成功地演示了他的感应电动机以来就一直存在。感应电动机也被称为异步电动机,因为当一个磁场设置在定子上,同步旋转交流电源,转子的转速总是低于供应给定子的频率。由于转子笼实际上是次级绕组,转子中会感应到电流,从而产生与定子相反的磁场并产生转矩。为了诱导转子电流,必须始终存在转子和交流电源之间的转速差。

尽管感应电机有诸多优点,但除了在特斯拉的Roadster和Model S电动汽车中使用外,它在道路电动汽车牵引应用中并不常见。感应电机没有得到广泛的应用,因为它们相对较重,不如其他低速转矩电机类型,导致电机相对较大。然而,一个优点是可以控制电机转子中的磁场强度。如果你能牺牲质量和体积,感应电机成本低,不依赖稀土磁铁。

‘鼠笼’感应电动机
“鼠笼”感应电机设计

接下来是永磁体(PM)电机,在这种类型的电机中,顾名思义,我们将稀土磁铁嵌入转子中,以创造一组永磁极。我们用特殊的磁铁来制造强磁场,使用稀土合金元素来改善它们的性能。磁铁可以安装在转子表面(在SPM电机)或嵌入转子(在IPM电机)。SPM电机比较容易理解;然而,IPM可能更复杂一点。的转子将黑色材料和用于切割槽的磁通量集中在它创建一个通量路径,磁铁通常安排在V配置允许领域集中,允许一个更强大,更可能比集中磁场表面磁铁机。

SPM和IPM电机磁铁配置
SPM和IPM磁铁配置

IPM电机已经成为电动汽车动力系统中最常见的电机,因为与感应电机相比,IPM电机具有更高的功率密度。此外,控制磁阻转矩的能力在更大范围的工作点上提高了驱动循环效率(尽管在电机的峰值效率上有一个小的牺牲)。当特斯拉(Tesla)等品牌在其Model 3中谈论“混合磁阻电机”或“部分永磁电机”时,这就是他们谈论的内容。这实际上与尼桑Leaf、雪佛兰Bolt和雷诺Zoe的发动机技术/拓扑结构相同。

永磁电机的一个缺点是转子的磁场是固定的,这并不总是理想的应用,如电动汽车驱动系统,你有一个广泛的运行速度和负载条件。然而,一种有趣的可能性是利用转子的磁阻效应来产生额外的磁通,在这种情况下,额外的定子电流可以用来在转子中产生相应的附加磁场,与嵌入的永磁体一起工作。这种磁阻效应可以被控制,给出转子磁场控制元件。

EVO轴向通量电机侧角度视图
滚球体育app最新版AVID的EVO马达就是一个例子
SPM电动机

最后是全开关磁阻电机,在这种类型的电机转子中没有永磁体,因为转子的磁场都是由磁阻效应产生的。理论上,这种类型的机器可以低成本,因为它消除了对稀土磁体的需要,但在实践中,性能权衡方面的低功率密度和高转矩脉动,以及转子设计中的制造公差问题,限制了它们的使用。

电动机的设计优化和改善所有的时间,和更高的功率密度更轻更紧凑的汽车意味着制造商需要改善电动机内的冷却和热管理由于电阻和铁损引起的热量从电场和磁场在转子内。

通过减少材料含量和改进制造工艺来降低机器的制造成本也有很多关注。这导致了发夹或方棒绕组和集中绕组等技术的发展,都是为了提高电机中的铜填充系数,减少绕组悬在定子上。这些技术不仅易于实现大批量生产的自动化,而且通过它们,制造商可以降低电机的重量和材料成本。

一般来说,对于电动汽车动力系统来说,为了提高性能和减轻重量,在电机及其逆变器的部件成本上多投入一点是值得的,因为这可以提高效率,最终提高电池续航里程。因此,虽然成本优化的特定技术电机是重要的,它不一定是最便宜的整体电机是最成功的,但一个最具竞争力的整体包装。

额外的信息

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关于作者

瑞安·莫恩

瑞安·莫恩

AVID Technology Group Ltd.董事总滚球体育app最新版经理。滚球体育app最新版AVID总部位于英格兰东北部,是重型高性能汽车电气化动力系统设计和制造的领导者。