驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工業(yè)和制造業(yè)中的常規(guī)應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)

感應(yīng)電機(jī)的定義

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(Asynchronous Machine)又稱為交流異步電動(dòng)機(jī)，即可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體——轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)。

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體，定子是電動(dòng)機(jī)中不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并不是用機(jī)械方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對(duì)電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當(dāng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。

通過(guò)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，感應(yīng)電流逐漸減小，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是慢于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，因此表現(xiàn)為異步運(yùn)行。由于存在轉(zhuǎn)差率，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，并在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，“感應(yīng)電機(jī)”的名稱由此而來(lái)。

這種電動(dòng)機(jī)依據(jù)所用交流電的種類有單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)，代表車型有Telsa以及蔚來(lái)ES8等車型。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)/交流異步電動(dòng)機(jī)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

異步電動(dòng)機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，其功率范圍從幾瓦到上萬(wàn)千瓦，是日常生活中應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)，為成千上萬(wàn)的機(jī)械設(shè)備和家用電器提供動(dòng)力。

工業(yè)方面，例如機(jī)床、軋鋼設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵和礦山機(jī)械等，絕大部分都采用三相異步電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)；

家庭生活方面，電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)器等家用電器中則廣泛使用到了單相異步電動(dòng)機(jī)。

異步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)車中應(yīng)用最為廣泛，相比直流電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)速適應(yīng)范圍更廣，可以滿足車輛高速巡航的需求。

異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)能回收也更為容易。車輛滑行或制動(dòng)時(shí)，車輪反拖電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在這個(gè)工況下，電動(dòng)機(jī)可進(jìn)行發(fā)電并將電能回收到電池中，以此延長(zhǎng)車輛的續(xù)航里程，也就是我們經(jīng)常說(shuō)的動(dòng)能回收。

特斯拉異步電動(dòng)機(jī)

特斯拉MODEL S采用的就是異步電動(dòng)機(jī)。之所以選用異步電機(jī)是因?yàn)樗目垢蓴_能力以及高速弱磁區(qū)奔跑能力比較強(qiáng)，功率雖然大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。特斯拉感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子專利技術(shù)與焊接鼠籠技術(shù)方案相同，將銅條插入了轉(zhuǎn)子槽中，

特斯拉制造了一組表面鍍銀的銅質(zhì)楔子，將這些楔子插入了銅條端部的間隙之中，這樣一個(gè)機(jī)械構(gòu)造的端環(huán)就制造完成。插完楔子之后，在楔子和銅條之間進(jìn)行焊接，這個(gè)焊接要求比焊接方案中端環(huán)的感應(yīng)釬焊成本、難度都低多了。焊接之后，再在兩端箍上禁錮環(huán)，這個(gè)專利用巧妙的方案完成了低成本、高效率的銅芯轉(zhuǎn)子制造，堪稱特斯拉的核心技術(shù)之一。

單向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理，定子通常含有兩個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子為籠型，大多數(shù)單相感應(yīng)電機(jī)是單向運(yùn)行的，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)被設(shè)為單方向旋轉(zhuǎn)。

三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是由定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的交流電動(dòng)機(jī)，屬于感應(yīng)馬達(dá)的一種。

對(duì)大部分不需調(diào)速的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，采用交流調(diào)速后，可以大幅度節(jié)能，因而對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速、節(jié)能的研究具有重要意義。

感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

(1) 優(yōu)點(diǎn)

從結(jié)構(gòu)大小來(lái)看，由于感應(yīng)電機(jī)不需要電刷，所以感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，與同樣功率的直流電動(dòng)機(jī)相比較，效率較高、重量約要輕一半左右，對(duì)整車輕量化能做出不小貢獻(xiàn)；

從性能方面來(lái)看，感應(yīng) 電機(jī)很能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)10000r/min的高速旋轉(zhuǎn)，低速時(shí)有高高轉(zhuǎn)矩，以及寬泛的速度控制范圍，功率容量覆蓋面很廣，可以從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦不等；

從制造成本來(lái)看，感應(yīng)電機(jī)制造成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，所以不會(huì)出現(xiàn)急剎車的可能性；

(2) 缺點(diǎn)

功率因數(shù)滯后，運(yùn)行時(shí)必須從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流來(lái)建立磁場(chǎng)；控制復(fù)雜，易受電機(jī)參數(shù)及負(fù)載變化的影響；調(diào)速性能差，調(diào)速性能差。

和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣常用的是永磁無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)。豐田的Prius系列，奧迪混動(dòng)Q3和寶馬I3使用的就是永磁同步電機(jī)。

永磁(無(wú)刷)同步電動(dòng)機(jī)的定義

永磁同步交流電機(jī)(Permanent magnent Synchronous Machine)是在制造電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)加入永磁體，使電機(jī)性能得到進(jìn)一步提升。同步指的是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子繞組的電流頻率始終保持一致。通過(guò)控制電機(jī)電子繞組的輸入電流頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制車速的目的。

永磁電機(jī)定子的永磁材料一般采用“釹鐵硼”稀土合金，這種材料的磁能量密度最高。但在高溫時(shí)，磁性會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的衰退，因此，永磁電機(jī)的溫度必須控制在150℃以下，在電動(dòng)機(jī)上一般采用強(qiáng)制水冷的方式對(duì)永磁材料進(jìn)行冷卻。

永磁同步電機(jī)

永磁同步交流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

(1) 優(yōu)點(diǎn)

從性能角度而言，永磁同步交流電機(jī)具有較高的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，能夠?yàn)殡妱?dòng)車提供最大的動(dòng)力輸出和加速度。加上永磁同步交流電機(jī)體積小、效率高、能量回饋制動(dòng)技術(shù)高效，可以減少剎車片的磨損，從而增加汽車?yán)m(xù)駛里程；

從設(shè)計(jì)角度而言，永磁同步交流電機(jī)采用全數(shù)字化和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)器接口靈活，控制能力強(qiáng)，便于操作；

從維護(hù)角度而言，采用永磁無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、易于維護(hù)，運(yùn)行和維修成本低。

(2) 缺點(diǎn)

從成本角度而言，永磁同步電機(jī)的造價(jià)加高，整套控制系統(tǒng)成本高，且不易裝配；

從耐溫角度而言，永磁材料在震動(dòng)、高溫和過(guò)載電流的環(huán)境下，導(dǎo)磁性能會(huì)發(fā)生較大的退化，導(dǎo)致永磁電動(dòng)機(jī)的性能下降，嚴(yán)重的將損壞電動(dòng)機(jī)。

總結(jié) 交流異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)比較

我們將交流異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)匯總起來(lái)，形成如下對(duì)比表格。通過(guò)參數(shù)對(duì)比可見，交流異步電動(dòng)機(jī)主要的應(yīng)用市場(chǎng)在純電車型，而永磁同步電機(jī)則更適合混合動(dòng)力車型，這也實(shí)際體現(xiàn)在各家主機(jī)廠的量產(chǎn)選擇上。

審核編輯：劉清