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【動(dòng)畫圖解】新能源汽車上的永磁同步電機(jī)原理解析

作者:佚名    文章來源:本站原創(chuàng)    點(diǎn)擊數(shù):9481    更新時(shí)間:2018-11-10

好了,上次說了新能源汽車的動(dòng)力電池,今天還是來說說新能源汽車的電動(dòng)機(jī)。畢竟電動(dòng)機(jī)關(guān)乎著汽車的動(dòng)力以及駕駛體驗(yàn),一臺(tái)好的電動(dòng)機(jī)就類似一臺(tái)好的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣能夠帶給大家更好的體驗(yàn)。

而現(xiàn)在絕大部分新能源汽車,除了特斯拉等極個(gè)別以外,無一例外的都是使用永磁同步電機(jī),那到底什么是永磁同步電機(jī)呢?它又有何優(yōu)勢能夠讓眾多廠商趨之若鶩呢?

首先我們要來復(fù)習(xí)一下高中時(shí)候有關(guān)磁場的物理知識(shí),一塊條形的磁鐵,他的磁力線總是從北極(紅色N)出發(fā)繞了一圈回到南極(藍(lán)色S)。

條形磁鐵磁力線

由于磁力線方向總是這樣,同時(shí)異極相吸。當(dāng)在它的上方放上另外一支磁鐵的時(shí)候,在磁力力矩作用下,上方的磁鐵就會(huì)旋轉(zhuǎn),最終上方磁鐵的北極靠近下方磁鐵南極;而上方磁鐵南極則靠近下方磁鐵北極。可以這么理解(但是絕對不科學(xué)),磁力線由于希望盡量的短,則必須使得異極足夠靠近,從而使得上方磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。

磁鐵受磁力轉(zhuǎn)動(dòng)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理可以知道線圈通上電之后就會(huì)產(chǎn)生類似條形磁鐵的磁場。而處于線圈產(chǎn)生的磁場中的磁鐵也會(huì)受到磁力的作用而趨向于異極相吸的效果。

線圈磁力線

說了這些之后再來看看永磁同步電機(jī)的構(gòu)造,下方是一個(gè)三相永磁同步電機(jī)示意圖。外圈灰色是固定在車身上的定子殼體,上面間隔繞制著紅、綠、藍(lán)三組六匝線圈,對角線為相同組。而中間白色輪轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子,連接著輸出軸到輪胎;其上間隔分布著SN極間隔的磁鐵,實(shí)時(shí)上你可以理解為四根條形磁鐵首尾相連的粘附在定子上。

永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

說完了電機(jī)的構(gòu)造,現(xiàn)在再來解釋一下他的工作原理。

首先我們假設(shè)一組線圈(綠色組)通電,那么通電后可以看作是一個(gè)豎直的線圈通電,那么它將產(chǎn)生類似條形磁鐵的磁場(當(dāng)然中間是空的,磁場線是膨脹的而不是像條形磁鐵一樣緊束的)。因此,當(dāng)線圈通電時(shí)候則就相當(dāng)于定子上放了一根條形磁鐵。

一組線圈通電

上邊只是一組線圈通電,三組線圈的磁場就相當(dāng)于三根條形磁鐵成“米”字型放在定子內(nèi)部。當(dāng)三組線圈依次通電時(shí)候,就會(huì)產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)的磁場。

三組線圈通電

Ok接上面的話在不斷旋轉(zhuǎn)的磁場中,放上一根條形磁鐵,那么條形持鐵就會(huì)由于磁力矩的作用,跟著旋轉(zhuǎn)的磁場發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

條形磁鐵受三組線圈旋轉(zhuǎn)

在這里大家請注意,由于磁力的作用是瞬間的,因此在線圈發(fā)生變化時(shí)候,磁鐵能夠馬上受力。這就引出了一個(gè)詞語——“同步”。同步的意思就是磁場發(fā)生改變的瞬間能夠馬上產(chǎn)生跟隨的趨勢以及力量,所以這也是為什么稱這種電機(jī)為同步電機(jī)。“同步”二字既是這樣得來,因?yàn)樗軌蚴冀K跟隨著線圈的變化而變化,和線圈中的磁場變化是同步狀態(tài)的。

上一步三組線圈依次通電形成了旋轉(zhuǎn)的磁場,但是這個(gè)磁場并不平順,因?yàn)榫€圈在切換通電過程中磁力會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)如果定子只有一根磁鐵,那受到的力很小以外,也因?yàn)榇艠O分布不均勻(只有對角線兩個(gè)方向),同樣使得受力是不平順的波浪形。因此為了解決這個(gè)問題,將更多根磁鐵(這里是4根)放在定子上組成定子磁組,這樣就形成了一個(gè)SN極間隔的永磁轉(zhuǎn)子。這個(gè)時(shí)候三組線圈都在不停地變化著通電的方向(注意,不是斷開綠組接通藍(lán)組那種通斷的形式),使得定子產(chǎn)生三個(gè)不斷變化的磁場,而處于磁場中的轉(zhuǎn)子由于任意方向都有磁鐵受力,因此這就使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)起來。

永磁同步電機(jī)工作

現(xiàn)在再來說一下“永磁”的由來,剛才已經(jīng)說了,轉(zhuǎn)子是類似多根條形磁鐵組裝而成的一個(gè)SN極間隔的磁鐵。線圈的磁場會(huì)因?yàn)閿嚯姸В寝D(zhuǎn)子卻是磁性很強(qiáng)的磁鐵組成,磁場并不會(huì)消失,因此他的磁場理論上可以長久存在,因此稱之為——永磁(雖然隨著時(shí)間的流逝磁場會(huì)逐漸消失,但是速度也是很慢的)。

所以“永磁同步電機(jī)”說的就是轉(zhuǎn)子火定子有一方是永磁材料制成的,同時(shí)能夠跟隨著磁場的變化而同步變化的電動(dòng)機(jī)。

說了那么多永磁同步電機(jī)的原理,現(xiàn)在來說一說他的特點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn):

1.效率高:因?yàn)樗膭?lì)磁磁場(轉(zhuǎn)子磁場)是由磁鐵提供的,所以省去一部分勵(lì)磁磁場所需的電能。

2.調(diào)速范圍大:由于他是永磁作為勵(lì)磁磁場,因此調(diào)整電流與頻率即可很大范圍調(diào)整電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速。

3.體積小重量輕:因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡單,因此無論體積還是重量都相對較小。

4.發(fā)熱小,密封性強(qiáng),免維護(hù)。

缺點(diǎn):

1.抗震性較差:由于現(xiàn)在大部分永磁材料都采用釹鐵硼強(qiáng)磁材料,這種材料較為硬脆,因此受到強(qiáng)烈震動(dòng)有可能會(huì)碎裂。

2.抗熱沖擊較差:由于轉(zhuǎn)子采用磁性材料,而電機(jī)在運(yùn)行或者環(huán)境溫度過高情況下會(huì)引起磁鐵退磁,因此會(huì)造成動(dòng)力下降。


Tags:同步電機(jī),永磁同步電機(jī),原理  
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