驅(qū)動電機在工業(yè)和制造業(yè)中的常規(guī)應用和優(yōu)缺點

感應電機的定義

感應電動機(Asynchronous Machine)又稱為交流異步電動機，即可轉(zhuǎn)動的導體——轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩而轉(zhuǎn)動。

異步電動機的轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導體，定子是電動機中不轉(zhuǎn)動的部分，主要任務是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場并不是用機械方法來實現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當于一個旋轉(zhuǎn)的磁場。

通過定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組的相對運動，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸接近同步轉(zhuǎn)速時，感應電流逐漸減小，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也相應減小，當異步電動機工作在電動機狀態(tài)時，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)磁場的轉(zhuǎn)速，因此表現(xiàn)為異步運行。由于存在轉(zhuǎn)差率，導體在磁場內(nèi)做切割磁感線運動，并在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，“感應電機”的名稱由此而來。

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

感應電動機/交流異步電動機

感應電動機的應用

異步電動機主要用作電動機，其功率范圍從幾瓦到上萬千瓦，是日常生活中應用最廣泛的電動機，為成千上萬的機械設備和家用電器提供動力。

工業(yè)方面，例如機床、軋鋼設備、風機、水泵和礦山機械等，絕大部分都采用三相異步電動機拉動；

家庭生活方面，電風扇、洗衣機、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機。

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

異步電動機實現(xiàn)動能回收也更為容易。車輛滑行或制動時，車輪反拖電動機轉(zhuǎn)動，在這個工況下，電動機可進行發(fā)電并將電能回收到電池中，以此延長車輛的續(xù)航里程，也就是我們經(jīng)常說的動能回收。

特斯拉異步電動機

特斯拉MODEL S采用的就是異步電動機。之所以選用異步電機是因為他的抗干擾能力以及高速弱磁區(qū)奔跑能力比較強，功率雖然大，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。特斯拉感應電機轉(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，這樣一個機械構(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行焊接，這個焊接要求比焊接方案中端環(huán)的感應釬焊成本、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。

單向感應電動機的工作原理，定子通常含有兩個繞組，轉(zhuǎn)子為籠型，大多數(shù)單相感應電機是單向運行的，這是因為它們在設計時被設為單方向旋轉(zhuǎn)。

三相感應電動機是由定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應電流的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的交流電動機，屬于感應馬達的一種。

對大部分不需調(diào)速的風機、泵類負載，采用交流調(diào)速后，可以大幅度節(jié)能，因而對感應電動機進行調(diào)速、節(jié)能的研究具有重要意義。

感應電機的優(yōu)缺點

(1) 優(yōu)點

從結(jié)構(gòu)大小來看，由于感應電機不需要電刷，所以感應電機結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，與同樣功率的直流電動機相比較，效率較高、重量約要輕一半左右，對整車輕量化能做出不小貢獻；

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

從制造成本來看，感應電機制造成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時也不會產(chǎn)生反電動勢，所以不會出現(xiàn)急剎車的可能性；

(2) 缺點

功率因數(shù)滯后，運行時必須從電網(wǎng)吸收無功電流來建立磁場；控制復雜，易受電機參數(shù)及負載變化的影響；調(diào)速性能差，調(diào)速性能差。

和感應電動機一樣常用的是永磁無刷同步電動機。豐田的Prius系列，奧迪混動Q3和寶馬I3使用的就是永磁同步電機。

永磁(無刷)同步電動機的定義

永磁同步交流電機(Permanent magnent Synchronous Machine)是在制造電機轉(zhuǎn)子時加入永磁體，使電機性能得到進一步提升。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。通過控制電機電子繞組的輸入電流頻率控制電機的轉(zhuǎn)速，進而達到控制車速的目的。

永磁電機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，磁性會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的衰退，因此，永磁電機的溫度必須控制在150℃以下，在電動機上一般采用強制水冷的方式對永磁材料進行冷卻。

永磁同步電機

永磁同步交流電機的優(yōu)缺點

(1) 優(yōu)點

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

從設計角度而言，永磁同步交流電機采用全數(shù)字化和模塊化結(jié)構(gòu)設計，使得驅(qū)動器接口靈活，控制能力強，便于操作；

從維護角度而言，采用永磁無刷電機作為驅(qū)動元件的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)簡單牢固、易于維護，運行和維修成本低。

(2) 缺點

從成本角度而言，永磁同步電機的造價加高，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、高溫和過載電流的環(huán)境下，導磁性能會發(fā)生較大的退化，導致永磁電動機的性能下降，嚴重的將損壞電動機。

總結(jié) 交流異步電動機和永磁同步電動機的參數(shù)比較

我們將交流異步電動機和永磁同步電動機的參數(shù)匯總起來，形成如下對比表格。通過參數(shù)對比可見，交流異步電動機主要的應用市場在純電車型，而永磁同步電機則更適合混合動力車型，這也實際體現(xiàn)在各家主機廠的量產(chǎn)選擇上。

審核編輯：劉清