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继续聊电动汽车的电机,为什么特斯拉选择了三相交流感应电机?

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问题描述

在我上一个问题中,各位专家朋友回答中,我大体可以得出这样的结论:随着电动汽车的发展,直流电机由于转速和效率等原因,已基本淘汰。而当前热门的永磁电机和开关磁阻电机相对于交流异步电机,都有其独特的优势。那作为“汽车业界的苹果”的特斯拉为什么会交流异步电机作为其的核心动力源呢?请大家不吝对这三类电机做一个深入的分析,谢谢。

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蒋应伟·20.00

2017-02-26提问

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通常电动汽车或者混合动力汽车电机的解决方案一般有:感应电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电机,其中开关磁阻电机电动机振动噪声大,在大型客车上有所应用,而乘用车领域多为前两者,对于感应电机和永磁同步电机的转子区别,从材料商看可以简单认为除了两者都需要使用的硅钢片,永磁同步电机中使用了永磁材料,感应电机的转子则通常用铝或铜来制造。

对于感应电机和永磁同步电机的对比:

感应电机:功率密度低、调速范围小、单位功率成本低、无退磁现象(个人认为在高速时最重要的因素);

永磁同步电机:功率密度高、调速范围广、单位功率成本高、温度大幅变化引起退磁。

特斯拉选择感应电机是更可靠的,它没有退磁的风险、低成本(永磁材料成本占到同步电机材料成本的70%)、高效率的解决方案。至于特斯拉电机是怎么将感应电机做到更加高效,就要看铜芯转子的技术啦。

感应电机的一种主流的结构是鼠笼电机,名字的来源是由于它的转子结构好比就是一个鼠笼。在工业感应电机的生产制造中,这样的鼠笼通常都是用铝铸造而成,铝有着较好的电导率和较低的熔点,成本也有优势,因而铸铝转子称为了感应电机转子的主流。但是使用铸铝转子的感应电机效率有限,难以更近一步,如果使用电导率更高的铜来制造鼠笼,电机的效率将会更加显著。但是问题来了,既然铜有百般好,为什么却不用它?原因是铜的熔点高,铜芯转子难以制造。而在这特斯拉就有自己的专利,将铜条插入了转子槽中,且特斯拉制造了一组表面镀银的铜质楔子,将这些楔子插入了铜条端部的间隙之中这样一个铜质的端环就通过机械配合制造完成了。它的专利巧妙地完成了低成本、高效率的铜芯转子制造,堪称是特斯拉的核心技术之一。

之前也看到过特斯拉不仅仅是一部电动汽车,它更引以为豪的是它的加速性能,它的百公里加速不差于跑车,因此个人认为它速度要求更高,因此选择了感应电机。

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  LBG·10.00

2017-02-27回答

最终还是工艺问题!  蒋应伟 2017-03-01

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感应电动机永磁电动机区别永磁电动机同步电动机其转子使用永磁体,定子产生电磁转矩来推动转子磁场围绕轴心线进行旋转,定子转子磁场同步而感应电动机异步电动机,由定子绕组形成旋转磁场与转子绕组中感应电流磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转交流电动机。

特斯拉使用异步电动机技术取突破过去异步电动机最缺陷就难控制转子旋转速度,但随现代半导体控制技术发展,这问题已经被解决。

异步电动机优势:能忍受幅度工作温度变化而相反,温度幅度变化会损永磁电动机。

异步电动机优势:感应电动机输出扭矩可以在范围内调整,因此无需安装第套乃至第套传动机构特斯拉设计电机转速能达到6000/分钟并且能产生最为400牛顿米扭矩,能在加速或爬坡时强制提输出扭矩(虽然时间),而永磁电机电动车要通过齿轮箱来输出扭矩来实现提速

异步电动机优势:体积重量轻方面,由于对温度忍受范围,特斯拉电动机需要像其他电动车那样安装散热器,冷却风扇水泵及相关管路等另方面,无需安装余传动机构因此其电机体积重量缩特斯拉电机体积类似西瓜,重量过52公斤。

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  滴答·110.00

2017-02-27回答

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整理如下,仅供参考。

各类电机比较

1.交流异步电机

 异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠,低转矩脉动,低噪声,转速极限高。异步电机矢量控制调速技术比较成熟,使得异步电机驱动系统具有明显的优势。

相对交流永磁同步电机而言,异步电机效率和功率密度偏低。

2. 交流永磁同步电机

 具有正弦气隙磁场的交流永磁同步电机有两类:内置式永磁同步电机和表贴式永磁同步电机。由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围,发展前景十分广阔,在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者,已在国内外多种电动车辆中获得应用。

 内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的永磁转矩(转子永磁体和定子电流作用产生的转矩)上迭加了磁阻转矩(由转子结构导致额外的磁通和定子电流作用产生的转矩)磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度,而且易于弱磁调速,扩大恒功率范围运行,适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。

表贴式永磁同步电机也称为永磁转矩电机,相对内置式永磁同步电机而言,输出转矩没有附加磁阻转矩,其弱磁调速范围小,功率密度偏低。该电机动态响应快,低转矩脉动,适合用于伺服驱动,如汽车电子动力方向盘的伺服电机。

    永磁同步电机驱动系统的控制策略基本上也采用矢量控制,但是相比异步电机控制,同步电机控制需要解决启动问题。同步电机的控制需要辨识转子磁链初始的位置角,否则电机无法启动。另外,永磁体价格昂贵,且有退磁的可能(电机性能将受到极大影响)。

3.开关磁阻电机

   开关磁阻电机是一种新型调速电机,调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点,是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固,调速范围宽,调速性能优异,且在整个调速范围内都具有较高效率,系统可靠性高。主要有开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。

开关磁阻电动机传动系统综合了感应电动机传动系统和直流电动汽车电机传动系统的优点,是这些传动系统的有力竞争者,其主要优点如下:

1)、开关磁阻电动机有较大的电动机利用系数,可以是感应异步电动机利用系数的1.2~1.4倍。

2)、电动机的结构简单,转子上没有任何形式的绕组;定子上只有简单的集中绕组,端部较短,没有相间跨接线。因此,具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等特点。

3)、开关磁阻电动机的转矩与电流极性无关,只需要单向的电流激励,公率变换电路中每相可以只用一个开关元件,且与电动机绕组串联,不会像PWM逆变器电源那样,存在两个开关元件直通的危险。所以,开关磁阻电动机驱动系统线路简单,可靠性高,成本低于PWM交流调速系统。

4)、开关磁阻电动机转子的结构形式对转速限制小,可制成高转速电动机,而且转子的转动惯量小,在电流每次换相时又可以随时改变相匝转矩的大小和方向,因而系统有良好的动态响应。

5)、SRD系统可以通过对电流的导通、断开和对幅值的控制,得到满足不同负载要求的机械特性,易于实现系统的软启动和四象限运行等功能,控制灵活。又由于SRD系统是自同步系统运行,不会像变频供电的感应电动机那样在低频时出现不稳定和振荡问题。

6)、由于SRD开关磁阻电动机采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧,其性能可以与感应电动机相媲美,甚至还略占优势。SRD系统的效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都可以维持在较高水平。

开关磁阻电动机驱动系统SRD系统的主要缺点是:

1)、有转矩脉动。从工作原理可知,开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的,由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响,合成转矩不是一个恒定转矩,而有一定的谐波分量,这影响了SR电动机低速运行性能。

2)、SR电动机传动系统的噪声与震动比一般电动机大。

3)、SR电动机的出线头较多,如三相SR 电动机至少有四根出线头,四相SR电动机至少有五根出线头,而且还有位置检测器出线端。

上述缺点通过对电动汽车电机进行精心设计,采取适当措施,并从控制角度考虑采用合理策略可以得到改进。

开关磁阻调速电动机作为最新一代无级调速系统尚处于深化研究开发、不断完善提高的阶段,离成熟地应用还有差距。

 4. 无刷直流电机

无刷直流电机称为BLDC,属于永磁同步电机的一种,只是它的气隙磁通是梯形波,而非正弦波。

优点是:①电机外特性好,符合电动车辆的负载特性,电机具有可贵的低速大转矩特性,能够提供大的起动转矩,满足车辆的加速要求。②速度范围宽,电机可以在低中高大速度范围内运行。③电机效率高,尤其是在轻载车况下,电机仍能保持较高的效率,这对珍贵的电池能量是很重要的。④过载能力强,这种电机比Y系列电动机可提高过载能力2倍以上,满足车辆的突起堵转需要。⑤电机体积小、重量轻、比功率密度大、可有效地减轻重量、节省空间。⑥电机控制系统比异步电机简单。

缺点是:电机本身比交流异步电机复杂,转矩脉动大,永磁体价格昂贵且存在退磁的可能。


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  十月天·80.00

2017-02-27回答

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简单谈下认识:

1)较之异步电机,同步电机结构复杂、价格昂贵,尤其作为金属界桂冠上的明珠——稀有金属,更是如此。

2)随着现代控制理论的发展和对电机的深入认识,异步电机在某些程度上,已经获得了类似直流电机和同步电机的控制性能,其应用领域已经得到了极大扩展。

3)电机低俗大转矩方面是否也是异步电机(当然是经过特殊设计)的一大特色呢?

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  Enron.H·430.00

2017-02-27回答

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