給大家講講同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別

各位朋友有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，媒體在報(bào)道電動(dòng)車的動(dòng)力信息時(shí)，經(jīng)常使用“搭載了永磁同步電機(jī)，最大功率XX……”因?yàn)榻^大多數(shù)產(chǎn)品搭載的電機(jī)都是“永磁同步電機(jī)”，很多讀者就把這句話理解為“搭載的電機(jī)最大功率為……”

但關(guān)注特斯拉的朋友們可能知道，特斯拉搭載的是“交流異步電機(jī)”，而蔚來(lái)ES6性能版搭載的是“前160千瓦永磁同步電機(jī)，后240千瓦感應(yīng)電機(jī)” 這又是什么東西?

那么本次就給大家講講，同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別吧。

先別管同步異步，來(lái)回憶一下電機(jī)

電機(jī)這個(gè)東西相信大家都不陌生，回憶一下高中物理上的直流有刷電機(jī)，原理千百年來(lái)都是一樣的， 一個(gè)永磁體(磁鐵)作為定子，一個(gè)線圈作為轉(zhuǎn)子，通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)“同性相斥，異性相吸”的原理，他會(huì)繞著定子轉(zhuǎn)動(dòng)。

但是吧，轉(zhuǎn)了180度之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)定子的N極挨著轉(zhuǎn)子的S極了，它們兩個(gè)開(kāi)始相吸，不轉(zhuǎn)了咋整?所以這時(shí)候需要改變一下通過(guò)轉(zhuǎn)子的電流方向，但是你是不能改變電源的電流方向的，所以這時(shí)候需要換向器和電刷出馬了。

電刷的主要作用是傳導(dǎo)電流，它的正負(fù)極則與電池的正負(fù)極相連，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)180度，電刷與換向器的連接發(fā)生轉(zhuǎn)向，線圈原本的正極變成負(fù)極、負(fù)極變成正極，以此交替循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電磁力推動(dòng)轉(zhuǎn)子線圈持續(xù)旋轉(zhuǎn)。不過(guò)因?yàn)殡娝⒁恢痹趽Q向器上刷來(lái)刷去，勢(shì)必產(chǎn)生磨損，運(yùn)氣不好還會(huì)產(chǎn)生火花。

前面說(shuō)了電刷會(huì)磨損甚至起火花，所以現(xiàn)在大多數(shù)汽車用的都是無(wú)刷電機(jī)，我們本次討論的永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)都是無(wú)刷電機(jī)，下面終于進(jìn)入正題，給大家講講這兩者的區(qū)別：

同步和異步指的是什么?

指的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的速度是否一樣。要完全理解這個(gè)問(wèn)題，我們需要理解這兩種電機(jī)的原理。

我們先看永磁同步電機(jī)：

需要注意的是，永磁同步電機(jī)和我們上面舉例用的課本上的電機(jī)不一樣，它的線圈是作為定子，永磁體是充當(dāng)轉(zhuǎn)子的，跟課本上的正好相反。

先說(shuō)這個(gè)永磁體，現(xiàn)在多數(shù)是用釹鐵硼材料制作，這種材料被稱為“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。而獲得這種材料需要一種稀有物品——稀土。

這里稍微科普一下，稀土家族是來(lái)自鑭系的15個(gè)元素，加上與鑭系相關(guān)密切的鈧和釔共17種元素的集合體，中國(guó)的稀土儲(chǔ)量最多時(shí)占世界的71.1%，目前占比在23%以下，中國(guó)還在過(guò)去幾年承擔(dān)了稀土輸出的角色，邦老師的老家就很擅長(zhǎng)處理稀土，甚至大學(xué)還開(kāi)設(shè)專門(mén)的稀土學(xué)院。

▲ 釹鐵硼永磁體

這里廢話這么多的原因就是想告訴大家稀土很貴很稀有，所以導(dǎo)致永磁體很貴，永磁直流電機(jī)也很貴……

好吧稍微有點(diǎn)跑題了，我們接著討論永磁同步電機(jī)。因?yàn)闆](méi)有電刷，所以換向必須采用“電子”的方式，下面是永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖：

外圈灰色是固定在車身上的定子殼體，上面間隔繞制著紅、綠、藍(lán)三組六匝線圈，對(duì)角線為相同組。而中間白色輪轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子，連接著輸出軸到輪胎。

假設(shè)我們先給綠色線圈通電，那么它將產(chǎn)生類似條形磁鐵的磁場(chǎng)。而如果給三組線圈都通電，三組線圈的磁場(chǎng)就相當(dāng)于三根條形磁鐵成“米”字型放在定子內(nèi)部，就會(huì)產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這時(shí)候轉(zhuǎn)子就會(huì)受到定子產(chǎn)生的磁力而轉(zhuǎn)動(dòng)。

注意，上面這個(gè)圖里的條形磁鐵只是為了幫助大家理解通電線圈的磁場(chǎng)方向，并不是電機(jī)里放置了一個(gè)磁鐵!

在這種情況下，通電線圈發(fā)生變化后，轉(zhuǎn)子能夠馬上受力，也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的速一樣，所以叫同步電機(jī)。

另外這里的轉(zhuǎn)子也不是單純的一個(gè)磁鐵，如果這樣的話，會(huì)因?yàn)榇艠O方向單一導(dǎo)致受力不均勻，所以它一般是將更多個(gè)磁鐵放在定子上組成定子磁組，這樣就形成了一個(gè)SN極間隔的永磁轉(zhuǎn)子。

這樣磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)子由于任意方向都有磁鐵受力，因此這就使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)起來(lái)。當(dāng)然線圈的通斷電是由轉(zhuǎn)子位置傳感器和開(kāi)關(guān)控制的，它們?nèi)齻€(gè)的通斷也不是簡(jiǎn)單的“你通我斷”，而是一個(gè)比較復(fù)雜的通斷規(guī)則，這里就不細(xì)講了。

接下來(lái)我們講交流異步電機(jī)：

交流異步電機(jī)的定子由鐵芯、繞組與機(jī)座組成，轉(zhuǎn)子則是由鐵芯和繞組組成，轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式和線繞式，長(zhǎng)這樣：

可以看到，交流異步電機(jī)沒(méi)有永磁體，它的轉(zhuǎn)子和定子都是靠通電才能產(chǎn)生磁場(chǎng)的。

由于使用的是三相交流電，所以，線圈在定子內(nèi)每120度為一個(gè)單元，共三個(gè)單元，相互對(duì)稱排列。三個(gè)獨(dú)立繞組組合在一起形成一個(gè)360度的圓柱形定子。

因?yàn)榻涣麟姷念l率和方向是不斷變化的，所以假設(shè)我們給A繞組通入交流電，那么它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向和大小都不斷變化的磁場(chǎng)，對(duì)于另外兩個(gè)繞組來(lái)說(shuō)也是這樣，類似下面這個(gè)圖：

本圖只示意三個(gè)繞組會(huì)產(chǎn)生大小方向變化的磁場(chǎng)，并不表示真實(shí)的大小和方向關(guān)系!

這時(shí)候我們需要一些矢量合成的知識(shí)，這三個(gè)有大小、有方向的磁場(chǎng)組合起來(lái)，形成了一個(gè)大小、方向不斷變化的磁場(chǎng)。然后我們把通電的順序調(diào)一下：A相先通電，等A相交流電電壓波形擺了三分之一周期再給B相通電，等B相電壓又?jǐn)[了三分之一周期給C相通電。

這時(shí)候合成的磁場(chǎng)變成了這樣：大小固定，方向變化規(guī)律。

你可以簡(jiǎn)單理解成這樣~

行了，有了這個(gè)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子終于能愉快的轉(zhuǎn)動(dòng)了~但是由于交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是鼠籠式，它會(huì)在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)中做初中物理我們熟悉的“導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)”，產(chǎn)生了感應(yīng)電流。

這個(gè)電流在旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)中又受到安培力的作用，使導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的疊加導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的速度不一樣，也就是“異步”的意思。具體可以看下面的圖：

同步/異步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)?

還是先聊同步電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，在同樣的重量和體積下，永磁同步電機(jī)能輸出更高的功率和扭矩。同理，在相同的功率和扭矩情況下，它的重量和體積小，為另一個(gè)極為重要的部件動(dòng)力電池留出足夠的空間和質(zhì)量。此外，永磁同步電機(jī)還擁有噪音較小的特點(diǎn)。

至于缺點(diǎn)，前面我說(shuō)過(guò)，永磁體依賴稀土，如果想要大的功率，就要大塊的永磁體，造價(jià)高;而且雖然叫“永磁”，但它在高溫之類的惡劣環(huán)境下容易退磁。

至于異步電機(jī)，成本十分低廉，工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便等特點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中工作，也對(duì)周圍工作溫度的大幅度變化有比較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

但在同樣的功率和扭矩下，異步電機(jī)所需要的體積和重量要遠(yuǎn)大于永磁同步電機(jī)。

特斯拉為啥喜歡用異步電機(jī)?

其實(shí)不光是特斯拉，很多歐洲品牌的電動(dòng)車都喜歡用異步電機(jī)，比如寶馬i3，但中國(guó)和日本品牌卻不是這樣，對(duì)于永磁同步電機(jī)還是愛(ài)的深沉的。

至于特斯拉等國(guó)外品牌放棄優(yōu)勢(shì)明顯的同步電機(jī)的原因，目前有幾種推論，一是異步電機(jī)更能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，而特斯拉這種定位較高的車型可能會(huì)比家用車更多的經(jīng)歷激烈駕駛等狀況，那么異步電機(jī)不易退磁的特性就非常它們契合了。

第二個(gè)是永磁同步電機(jī)的核心材料稀土的問(wèn)題，對(duì)于我國(guó)和日本而言，我國(guó)擁有不錯(cuò)的稀土資源，，日本則是稀土產(chǎn)業(yè)的大國(guó)，世界銷量前三的釹鐵硼公司：住友特殊金屬公司、新越化學(xué)實(shí)業(yè)公司和TDK集團(tuán)都是日本公司，實(shí)力可見(jiàn)一斑。歐美國(guó)家可能就無(wú)法隨心所欲的使用稀土材料了。

第三是特斯拉在異步電機(jī)上有自己的專利，規(guī)避了異步電機(jī)的缺點(diǎn)，比如銅芯轉(zhuǎn)子的技術(shù)，下面簡(jiǎn)單給大家介紹一下：

目前大多數(shù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，就是那個(gè)鼠籠，的材料是鋁，鋁有著較好的電導(dǎo)率和較低的熔點(diǎn)(660.4℃)成本也有優(yōu)勢(shì)，但是它的效率有限，難以更進(jìn)一步，如果使用電導(dǎo)率更高的銅來(lái)制作鼠籠，電機(jī)的效率將會(huì)顯著提升。

但是銅的熔點(diǎn)高(1083℃)，銅芯轉(zhuǎn)子難以制造;并且焊接銅的成本也很高，對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度的要求也很高。

▲ 不同金屬電阻率

Tesla的專利Rotor Design for An Electric Motor，采用了焊接銅工藝，先是與焊接鼠籠技術(shù)方案相同，將銅條插入了轉(zhuǎn)子槽中，之后本來(lái)應(yīng)該焊接端環(huán)，但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，插完楔子之后，在楔子和銅條之間進(jìn)行焊接，這個(gè)焊接要求的成本、難度都比較低。焊接完成后，再把端環(huán)插進(jìn)去。

實(shí)物長(zhǎng)這樣：

好的，我們來(lái)總結(jié)一下本文：

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