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电动车的电机有啥不同?看完全明白了

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封狼居胥

为卡友提供前瞻性技术分析。

穿梭在城市中的轻卡,越来越多的是电动卡车,因此电动卡车也逐渐走进卡友的视线中。

在政策法规上,电动卡车受到政府支持;日常使用上,电动卡车成本要比燃油卡车的成本低的多,且电动卡车控制更容易智能,更容易实现车联网,但是电动卡车的发展一直很缓慢。

电动车的电机有啥不同?看完全明白了

图1:电动卡车(来源:卡车之家)

提到电动卡车,我们脑海中第一想法就是“电”。由此深入,电动卡车的核心技术可以简称为“三电”,即电机电池、电控。今天小编就和车友讨论一下电机,重点说说各种电机的特点和基本原理。

电机主要类别和分类方式:

今天咱们的讨论并不很深入,所以就简单介绍一下类别和分类依据。

根据直流和交流分:

根据电流的直流和交流可以分为直流电机和交流电机,直流电机可以细分为有刷电机和无刷电机,交流电机还可以继续分为单相和三相电机。

电动车的电机有啥不同?看完全明白了

图2:直流电机(来源:互联网)

简单说,直流和交流区别在于:直流电有正负极,电流有固定的方向,从正极流向负极;交流电是指大小和方向都随时间做周期性变化的电流,日常生活中的用电就是交流电,日常称呼为“火线”和“零线”。在这里多说一句“零线”并不是没有“电”,只是相对大地没有电压降,电压降就电势差,所以就相对的没有电流。

根据转差率分:

根据转差率可以分为同步电机和异步电机。继续细分,同步电机根据磁场不一样,有永磁同步电机,磁滞同步电机和磁阻同步电机;异步电机,有感应形式的,也有交流换向器形式的,而感应形式的有三相异步电机和罩极异步电机。

既然提到了转差率,就得说说转差率的概念了。只有当闭合线圈有感应电流时,才存在驱动转矩。转矩由闭合线圈的电流确定,且只有当环内的磁通量发生变化时才存在。因此,闭合线圈和旋转磁场之间必须有速度差。因而,遵照上述原理工作的电机被称作“异步电机”。

同步转速(ns)和闭合线圈速度(n)之间的差值称作“转差”,用同步转速的百分比表示。

s=[(ns-n)/ ns] x 100% (s为下标)运行过程中,转子电流频率为电源频率乘以转差率。当电动机起动时,转子电流频率处于最大值,等于定子电流频率。

转子电流频率随着电机转速的增加而逐步降低,并且处于恒稳态的转差率与电机负载有关系。它既受到电源电压的影响,又受到负载的影响。如果负载较高,则转差率较大,或者电机供电电压低于额定值,则转差率增大。这里就会引起我们思考另一个问题,同步电机和负载又是什么关系呢,后面永磁同步电机的时候在讨论。

实际上,即使电压正确无误,如果供电频率高于异步电机的额定频率,一也未必能够提高电机转速。存在转差率,带负载的异步电机的转速稍稍低于同步转速。

还有其他的分类方式就不在一一叙述了。

各类电机的基本原理:

电机的种类繁多,小编选取几个具有典型特点的电机和大家探讨一下它们的工作原理。

1. 直流有刷电机

有刷直流电机是一种直流电机,有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷,转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组,产生电枢电流,电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩,使电机旋转带动负载。由于电刷和换向器的存在,有刷电机的结构复杂,可靠性差,故障多,维护工作量大,寿命短,换向火花易产生电磁干扰。

电动车的电机有啥不同?看完全明白了

图3:永磁同步电机(来源:互联网)

2.永磁同步电机

首先“永磁同步电机”是交流电机,因为无论作为发电机还是电动机使用,它的定子绕组中电流都是交流的,而它的转子上有永磁体,绕组上为感应电流。

“永磁”指的是电机的转子(对旋转电机)上有永磁材料。

“同步”指的是电机的转速与电枢绕组中通入交流电的频率能相同,而直流电的频率是0,所以你只要看到电机名字中有“同步”一词,就立刻可以判断它是属于交流电机。

正如上面所提到的转差率,如果负载增加,功角将增加,此时不会“失步”,依然是同步电机,如果负载继续增加,此时电机就会失步,变为“异步”。

“失步”是一个很重要的概念,合理的“失步”,特别是启动,加速时,因为所需力矩大,所以就不能保持转子和电流频率相同,进而“失步”。

在选择合适电机情况下,转子加速度慢于电机的旋转磁场即转子速度低于换相速度时,电机会产生失步,这是因为输入电机的电能不足,产生的力矩无法使转子速度跟上定子磁场的旋转速度,从而引起失步。

3.三相异步电机

这种电机是我们生活中最常见的电机,三相异步电机是靠同时接入380V三相交流电源(的一类电动机,由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转,存在转差率,所以叫三相异步电机。

电动车的电机有啥不同?看完全明白了

图4:三相异步电机(来源:互联网)

当电动机的三相定子绕组 通入三相对称交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路),载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,从而在电机转轴上形成电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

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图5:三相异步电机原理(来源:互联网)

当导体在磁场内切割磁力线时,在导体内产生感应电流,“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。

各种电机特点(性能、可靠性 、能耗),以及本身特点对电动卡车选用的影响:

绝大部分厂商用的电机都是永磁同步电机,说到这里就有个疑问,电池输出的直流电为什么要用交流电机呢?这就与永磁同步电机的特性有关:

永磁同步电机安装在卡车上,结构简单,永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上,形成整体直驱系统,即一个轮轴就是一个驱动单元,省去了一个变速箱

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图6:永磁同步电机(来源:互联网)

永磁同步电机的特点主要有以下几方面:

(1)永磁同步电机本身的功率效率高以及功率因数高;

功率效率高是很容易理解的,摩擦损耗低,自然功率效率高;谈到功率因数,功率因数的大小与电路的负荷性质有关, 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1,一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。

功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数,就是把电能转换为自己想要功的能力。功率因数低,说明电路用于交变磁场转换的无功功率大, 从而降低了设备的利用率,增加了线路供电损失。

(2)相对应的还有其他的优势,永磁同步电机发热小,因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小,系统采用全封闭结构,无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声,免润滑油、免维护,永磁同步电机允许的过载电流大,可靠性显著提高,整个传动系统重量轻,单位重量的功率大。

总结:

小编尽可能把文章中的电机说清楚,但是依然有很多东西说不清楚。电机的种类有很多种,但都是大同小异,且都已经形成了标准,所以说,那些缺点和不足很难克服,我们最便捷、最经济的做法就是突出主要矛盾,把我们最关心的方面放在首位。

电机方面的问题对电动卡车来说是细枝末节的小问题,正规厂商的主流产品还是值得信赖的,最后希望本文对车友有启发。(文/卡车之家特约作者:封狼居胥)

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