新能源汽车结构图-为啥有的车又快又省电 看懂纯电动车“心脏”——电动机
“买发动机送车”这句话你一定听说过,甚至买车只看发动机,不看其他的人,也不在少数。但说起新能源车,为啥我们从来没听说过某某车是“买电动机送车”这类话呢?同样都是整台车动力部分的核心部件,这待遇咋差这么多?这期,我们就来说说纯电动车的“心脏”——电动机。
[ · 无处不在的电动机 · ]
就像发动机会分成自然吸气和涡轮增压一样,电动机根据原理的不同也能分成好多种,比如:有直流电动机,我们小时候在四驱车上用过;无刷直流电动机,在无人机上用得比较多;永磁同步电动机、交流异步电动机,这俩被广泛用在现在的新能源车上;同步磁阻电机、开关磁阻电机,这两个也是在工业制造中被广泛应用的,但在新能源车上不太常见。因为是说车,所以我们这期重点放在永磁同步电机和交流异步电机上。
[ · 电动车上的电动机是这么工作的 · ]
按照往期惯例,到这部分基本要开始硬核输出了,解析永磁同步电机、交流异步电机的工作原理,但这期我想改变一下。主要是因为它俩的原理要想百分百说明白,真的太复杂并且枯燥了,所以这期我准备本色出演,当一枚转子,给大家解析一下永磁同步电机、交流异步电机是怎么工作的。
在开始前还是有三个东西得铺垫一下,便于理解。第一个就是磁铁,同性相斥异性相吸,大家小时候肯定都玩过,就不多说了;第二,电生磁,一条直径的金属导线通过电流,那么在导线周围的空间将产生圆形磁场;第三,磁生电,闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时,在导体上会产生电流。没事儿,看不明白也没关系,看完它们的工作原理后,基本就懂了。
[ · 永磁同步电机 · ]
我是转子,我负责旋转,输出动力,你们现在可以把我看成一块磁铁。永磁同步电机开始工作时候,定子会首先产生一个旋转的磁场。这个磁场有N极,有S极。我作为一个磁铁,也有N极和S极。
这个旋转的磁场里,每次N极靠近我的S极时候,我就会被吸一下,同样啊,S极靠近我的N极时候,我也会被吸一下。这样一下又一下的结果就是,我最后会和他们(磁场)同步旋转。因为我是磁铁,一个永磁体,所以以上工作原理的电机,就被叫成永磁同步电动机。
[ · 交流异步电动机 · ]
我还是转子,负责旋转,输出动力,但这次我不是磁铁了,我变成了导线线圈。交流异步电动机开始工作时,同样控制电路会首先让定子产生旋转磁场,和之前一样。但我只是一个线圈,我是铜丝做的,不是磁铁,所以磁场的旋转并不能直接带动我,我在原地摆烂。
但随着磁场一直旋转,我发现不对劲的地方了,根据磁生电的定律,我(线圈)一直在切割磁感线,所以体内产生了电流。产生电流之后,又根据电生磁的定律,我在体内产生电流的同时,也产生了磁场,这也被称作感应磁场。
于是乎,因为我这个线圈产生了感应磁场,我就会被之前的旋转磁场带动起来了,我非常不情愿地跟着他们一起转。
随后就出现了一个问题:这个旋转的磁场能把我带动到转速和他们相同吗?
答案是不能,因为如果我的转速和旋转磁场相同,我(线圈)和磁场之间就没有了相对运动,没有相对运动,我的体内就没有磁生电的感应电流了,一没电流我也就没了感应磁场,我就只能摆烂,不转了。但是我一摆烂,我(线圈)和磁场就又有了相对运动,体内就又产生了电流产生了感应磁场,旋转磁场就又能继续带着我转。
不知道有没有把你给绕进去啊,在交流异步电动机里,我这个转子和定子旋转磁场的关系就是:定子磁场一直带着我转,我呢一直慢半拍,因此就被叫做交流异步电动机。这个就像你和小伙伴玩儿的正尽兴时候,你妈拉着胳膊让你回家吃饭,你妈一撒手你就想往回跑,你一往回跑,你妈就拉你手,就是这个感觉。
[ · 没有十全十美 只是各有所长 · ]
现在我们国内的纯电动车用永磁同步电动机的占大多数,根据高工产研锂电研究所的数据,永磁同步电机2021年的装车量占比高达94%。
永磁同步电机的主要优势包括以下几点:首先就是体积小、效率高,同步电动机的转子是永磁体,而异步电动机转子是线圈,永磁体能做到更小的体积。其次,效率高,异步电动机转子的磁场是靠感应来的,而感应电流并不能实现驱动车辆的作用,因此同步电动机的效率也会更高。然后,同步电机的控制难度也要更低,只要控制输入的电流频率就能控制电动机转子的转速。最后,还有一个资源优势,永磁材料制造需要稀土资源,而在国外稀土属于极为稀缺的资源。但中国拥有全球70%以上的易开采稀土资源,所以这点算是我们国家制造永磁同步电机的优势。比如2017年,我国的永磁电机产量就达到了1107万千瓦,是全球永磁电机的主要生产国。
当然,永磁同步电机也有缺点:它的结构坚固程度不如交流异步电机,永磁材料比较硬和脆,极端情况遇到强烈震动有碎裂可能,转子碎裂电机肯定直接GG了。另外也是最重要的一个,它比较怕热,因为热会导致磁铁退磁,所以永磁电机要避免长时间高负载运行或频繁的高负载启停。这就是为啥好多车加速并不慢,但是最高车速只能跑到150km/h-160km/h的原因。
到交流异步电机这里,它的优势是制造成本比较低廉,可靠性高,能适应比较高的工作温度。另外,交流异步电机通常可以做到较高的输出功率和转速,比较适配一些强调动力和运动属性的车型。比如在蔚来ET7、特斯拉Model 3、Model S上就能见到异步电动机的身影。但劣势是它的效率要比永磁同步电机低,在同等功率的情况下,体积和重量也要大于永磁同步电机。
[ · 总结 · ] 希望看到这里后,我已经帮你解答了有关电动机的一些困惑。其实就电动机的选择上,不同国家、不同车企有不同的思路,但就现在的规律来看,越来越多的车企开始倾向于选择永磁同步电机,并在它的基础上做技术的更新迭代。就像是自然吸气和涡轮增压一样,同步电机和异步电机之间也不存在真正的“好”与“坏”,更多的是适合与不适合。
还想看哪些和新能源车有关的新技术新产品,欢迎评论区留言,你来说我来写。下期E电园的科普日常,我们再会!
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