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汽车的异步电机和同步电机有什么区别,各自又有哪些优缺点呢?

2021-09-28 10:40:20     来源:汽车科学岛        

【哔哥哔特导读】异步电机的缺点很突出,它的启动性能是要比永磁同步电机差的,因为启动时要通过磁场旋转在转子(短路的绕组)上产生电流后还才能开始运转,同步电机只要定子通电就能与转子相互作用。

汽车使用的电机分为两大类,分别为异步交流电机和永磁同步电机,曾经有少数品牌的车辆使用异步电机,而现在都以同步电机为主了。那么这两种电机究竟有什么优缺点,又有什么不同呢?

顾名思义,同步电机总会有什么是“同步”运行的,或者说是同步“旋转”的;不论同步还是异步电机,它都有个定子和转子;定子是电机里固定不变的部分,转子自然是可以转动的部分。定子分为绕组和铁芯两种,功能相同,当三相交电流接通定子之后,定子就会产生旋转的磁场,如下图所示。(仅为概念/不会这么简单)

定子磁场的旋转速度是可变的,电源的频率决定了磁场的“转速”;同步电机的转子可以理解为永磁铁(包括电磁铁),转子自然是有磁极的、也就是N/S,那么定子的旋转磁场自然能吸引转子的磁场以使其转动。而永磁同步电机就是指定子的磁场转速和转子转速相同,两者相同所以才叫做同步电机。

那么反之就是异步电机,但异步电机也没有那么简单;异步电机的转子为短路绕组,本身没有磁极的;在定子通电之后产生的旋转磁场会切割转子绕组,在绕组上出现感应电流,转子出现电流则可以收到电磁力的作用进行加速旋转。可是转子的旋转速度加快的过程中,一旦转子的转速等于定子磁场的转速,两者就等于相对静止了;此时旋转磁场和转子绕组没有切割作用,转子就会失去电磁力(可理解为失去动力或吸引力)而减速,甚至可以理解为“瞬间失速”。

而就在转子减速之后、转子和定子磁场转速又不一样了,两者又会出现相对运动——减速最后再加速、同步之后又减速、减速之后还加速,这就是异步电机,转子和磁场转速不一样。

在搞清楚两者的区别之后,需要了解的就是优缺点了

异步电机的缺点很突出,它的启动性能是要比永磁同步电机差的,因为启动时要通过磁场旋转在转子(短路的绕组)上产生电流后还才能开始运转,同步电机只要定子通电就能与转子相互作用。另一个缺点就是调速性能比较差,核心原因正是“异步”,作为驱动电机似乎不是那么理想的、注意重点是“似乎”。

其次异步电机的功率因数不高,运行时需要像电路系统吸收之后的无用功率;功率因数的概念是交流电路中有功功率对视在功率的比例,这个数值越高越好的。无用功率不是“没有用的功率”的概念,驱动电机是依靠电磁感应原理运行,要建立交变磁场才能进行能量的转化和传递;建立交变磁场和感应磁通需要的就是无用功率,这种功率虽然不能直接转化为机械能(动力),但是没有无用功率就不能运转。所以异步电机的缺点比较突出,那么同步电机有哪些缺点呢?

同步电机有一个较为突出的缺点,或者说是绝对突出且无法解决的缺点。

制造成本远超异步电机除此之外就基本都是优点了,它的优点首先是功率因数高,其次是运行功率高,再次转速恒定;在恒定转速的状态下运行,电机的使用场景就会因功能的稳定而加大,不过现实还是因制造成本的问题而让异步电机变成了工业和农业生产领域的主流选项。同步电机是一种可以发出无功又能吸收无功,能够稳态运行实现N=ns=60f/p(电网频率/电机极对数)的电机,只要电网频率稳定就能够稳定运行,而频率的瞬间变化就能让电机转子瞬间变化,相对异步电机要“灵动”一些还。可以说永磁同步电机更适合作为乘用车的发动机使用,作为发电机也是极好的。

永磁同步电机的发电方式很简单,定子通电后、原动机带动转子旋转,定子的三相绕组切割转子磁场即可产生产生电动势来发电;而异步电机的定子是三相绕组,转子却是短路绕组、是没有磁场的;那么异步电机想要发电就要先建立磁场,说白了就是要像驱动时一样先给定子通电,随后转子才能出现电流,只是究竟要怎么发电呢?

异步电机的发电前提是先给定子通电,随后原动机将转子的转速拉动到超过定子磁场的转速才能开始发电,也就是在驱动时达到瞬间“一直转速”并开始减速的那一瞬间继续加速才能发电;这里所谓的原动机就是车轮,动力来自滑行时车辆的惯性力,这种发电方式就是动能回收,理论上同步电机的回收效果应当会更高。

异步电机就没有优点吗?

答案当然也是否定的,它有一个绝对优势,和一个用于电动汽车上才能体现出来的优势。

制造成本低高转速低转矩的时候运行效率高永磁同步电机在超高转速区间会效率会低一些,说白了就是会有些费电;这就是电动汽车为什么高速驾驶时电耗较高的原因之一,但如果通过技术手段来提升同步电机的效率,增大功率以实现高车速时对应的转速不高,这样也是能够降低电耗的。但使用相同技术标准的异步电机总还能降低高速区间的电耗,所以最佳方案应当是两者搭配使用,比如前后双电机组成的全时四驱车就能用“同步+异步”的组合来打造,目前似乎有两个乘用车品牌用过这种组合,e3.0和某拉。

综上所述,同步电机和异步电机的优缺点就是这样了,理论上可以用纯同步电机的多机组合实现超高性能,车辆的驾驶品质也会足够高;单纯使用异步电机还是要差一些的,两者组合也许能带来一些有趣的变化,这就要看e3.0平台能带来什么惊喜了。

价格低廉的异步电机在电动汽车上也许还会有发挥能量的空间。

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