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新能源汽车上的永磁同步电机原理解析

2019-06-19

今天还是来说说新能源汽车的电动机。毕竟电动机关乎着汽车的动力以及驾驶体验,一台好的电动机就类似一台好的发动机一样能够带给大家更好的体验。

而现在绝大部分新能源汽车,除了特斯拉等极个别以外,无一例外的都是使用永磁同步电机,那到底什么是永磁同步电机呢?它又有何优势能够让众多厂商趋之若鹜呢?

首先春水堂视频app免费观看视频ios要来复习一下高中时候有关磁场的物理知识,一块条形的磁铁,他的磁力线总是从北极(红色N)出发绕了一圈回到南极(蓝色S)。

条形磁铁磁力线

由于磁力线方向总是这样,同时异极相吸。当在它的上方放上另外一支磁铁的时候,在磁力力矩作用下,上方的磁铁就会旋转,最终上方磁铁的北极靠近下方磁铁南极;而上方磁铁南极则靠近下方磁铁北极。可以这么理解(但是绝对不科学),磁力线由于希望尽量的短,则必须使得异极足够靠近,从而使得上方磁铁转动。

磁铁受磁力转动

根据法拉第电磁感应原理可以知道线圈通上电之后就会产生类似条形磁铁的磁场。而处于线圈产生的磁场中的磁铁也会受到磁力的作用而趋向于异极相吸的效果。

线圈磁力线

说了这些之后再来看看永磁同步电机的构造,下方是一个三相永磁同步电机示意图。外圈灰色是固定在车身上的定子壳体,上面间隔绕制着红、绿、蓝三组六匝线圈,对角线为相同组。而中间白色轮转为转子,连接着输出轴到轮胎;其上间隔分布着SN极间隔的磁铁,实时上你可以理解为四根条形磁铁首尾相连的粘附在定子上。

永磁同步电机结构

说完了电机的构造,现在再来解释一下他的工作原理。

首先春水堂视频app免费观看视频ios假设一组线圈(绿色组)通电,那么通电后可以看作是一个竖直的线圈通电,那么它将产生类似条形磁铁的磁场(当然中间是空的,磁场线是膨胀的而不是像条形磁铁一样紧束的)。因此,当线圈通电时候则就相当于定子上放了一根条形磁铁。

一组线圈通电

上边只是一组线圈通电,三组线圈的磁场就相当于三根条形磁铁成“米”字型放在定子内部。当三组线圈依次通电时候,就会产生不断旋转的磁场。

三组线圈通电

Ok接上面的话在不断旋转的磁场中,放上一根条形磁铁,那么条形持铁就会由于磁力矩的作用,跟着旋转的磁场发生转动。

条形磁铁受三组线圈旋转

在这里大家请注意,由于磁力的作用是瞬间的,因此在线圈发生变化时候,磁铁能够马上受力。这就引出了一个词语——“同步”。同步的意思就是磁场发生改变的瞬间能够马上产生跟随的趋势以及力量,所以这也是为什么称这种电机为同步电机。“同步”二字既是这样得来,因为他能够始终跟随着线圈的变化而变化,和线圈中的磁场变化是同步状态的。

上一步三组线圈依次通电形成了旋转的磁场,但是这个磁场并不平顺,因为线圈在切换通电过程中磁力会发生变化。同时如果定子只有一根磁铁,那受到的力很小以外,也因为磁极分布不均匀(只有对角线两个方向),同样使得受力是不平顺的波浪形。因此为了解决这个问题,将更多根磁铁(这里是4根)放在定子上组成定子磁组,这样就形成了一个SN极间隔的永磁转子。这个时候三组线圈都在不停地变化着通电的方向(注意,不是断开绿组接通蓝组那种通断的形式),使得定子产生三个不断变化的磁场,而处于磁场中的转子由于任意方向都有磁铁受力,因此这就使得转子稳定的旋转起来。

永磁同步电机工作

现在再来说一下“永磁”的由来,刚才已经说了,转子是类似多根条形磁铁组装而成的一个SN极间隔的磁铁。线圈的磁场会因为断电而消失,但是转子却是磁性很强的磁铁组成,磁场并不会消失,因此他的磁场理论上可以长久存在,因此称之为——永磁(虽然随着时间的流逝磁场会逐渐消失,但是速度也是很慢的)。

所以“永磁同步电机”说的就是转子火定子有一方是永磁材料制成的,同时能够跟随着磁场的变化而同步变化的电动机。

说了那么多永磁同步电机的原理,现在来说一说他的特点。

优点:

1.效率高:因为它的励磁磁场(转子磁场)是由磁铁提供的,所以省去一部分励磁磁场所需的电能。

2.调速范围大:由于他是永磁作为励磁磁场,因此调整电流与频率即可很大范围调整电机的功率和转速。

3.体积小重量轻:因为它的结构简单,因此无论体积还是重量都相对较小。

4.发热小,密封性强,免维护。

缺点:

1.抗震性较差:由于现在大部分永磁材料都采用钕铁硼强磁材料,这种材料较为硬脆,因此受到强烈震动有可能会碎裂。

2.抗热冲击较差:由于转子采用磁性材料,而电机在运行或者环境温度过高情况下会引起磁铁退磁,因此会造成动力下降。


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