給大家講講同步電機和異步電機的區別

給大家講講同步電機和異步電機的區別

電機技術及應用 發表於 2020-11-20 17:13:52

各位朋友有沒有發現，媒體在報導電動車的動力信息時，經常使用「搭載了永磁同步電機，最大功率XX……」因為絕大多數產品搭載的電機都是「永磁同步電機」，很多讀者就把這句話理解為「搭載的電機最大功率為……」

但關注特斯拉的朋友們可能知道，特斯拉搭載的是「交流異步電機」，而蔚來ES6性能版搭載的是「前160千瓦永磁同步電機，後240千瓦感應電機」 這又是什麼東西?

那麼本次就給大家講講，同步電機和異步電機的區別吧。

先別管同步異步，來回憶一下電機

電機這個東西相信大家都不陌生，回憶一下高中物理上的直流有刷電機，原理千百年來都是一樣的， 一個永磁體(磁鐵)作為定子，一個線圈作為轉子，通電後產生磁場，根據「同性相斥，異性相吸」的原理，他會繞著定子轉動。

但是吧，轉了180度之後，你會發現定子的N極挨著轉子的S極了，它們兩個開始相吸，不轉了咋整?所以這時候需要改變一下通過轉子的電流方向，但是你是不能改變電源的電流方向的，所以這時候需要換向器和電刷出馬了。

電刷的主要作用是傳導電流，它的正負極則與電池的正負極相連，轉子每轉過180度，電刷與換向器的連接發生轉向，線圈原本的正極變成負極、負極變成正極，以此交替循環，實現電磁力推動轉子線圈持續旋轉。不過因為電刷一直在換向器上刷來刷去，勢必產生磨損，運氣不好還會產生火花。

前面說了電刷會磨損甚至起火花，所以現在大多數汽車用的都是無刷電機，我們本次討論的永磁同步電機和交流異步電機都是無刷電機，下面終於進入正題，給大家講講這兩者的區別：

同步和異步指的是什麼?

指的是轉子轉速和定子產生的磁場的速度是否一樣。要完全理解這個問題，我們需要理解這兩種電機的原理。

我們先看永磁同步電機：

需要注意的是，永磁同步電機和我們上面舉例用的課本上的電機不一樣，它的線圈是作為定子，永磁體是充當轉子的，跟課本上的正好相反。

先說這個永磁體，現在多數是用釹鐵硼材料製作，這種材料被稱為「永磁王」，是目前磁性最高的永磁材料。而獲得這種材料需要一種稀有物品——稀土。

這裡稍微科普一下，稀土家族是來自鑭系的15個元素，加上與鑭系相關密切的鈧和釔共17種元素的集合體，中國的稀土儲量最多時佔世界的71.1%，目前佔比在23%以下，中國還在過去幾年承擔了稀土輸出的角色，邦老師的老家就很擅長處理稀土，甚至大學還開設專門的稀土學院。

▲ 釹鐵硼永磁體

這裡廢話這麼多的原因就是想告訴大家稀土很貴很稀有，所以導致永磁體很貴，永磁直流電機也很貴……

好吧稍微有點跑題了，我們接著討論永磁同步電機。因為沒有電刷，所以換向必須採用「電子」的方式，下面是永磁同步電機的結構示意圖：

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、藍三組六匝線圈，對角線為相同組。而中間白色輪轉為轉子，連接著輸出軸到輪胎。

假設我們先給綠色線圈通電，那麼它將產生類似條形磁鐵的磁場。而如果給三組線圈都通電，三組線圈的磁場就相當於三根條形磁鐵成「米」字型放在定子內部，就會產生不斷旋轉的磁場，這時候轉子就會受到定子產生的磁力而轉動。

注意，上面這個圖裡的條形磁鐵只是為了幫助大家理解通電線圈的磁場方向，並不是電機裡放置了一個磁鐵!

在這種情況下，通電線圈發生變化後，轉子能夠馬上受力，也就是轉子轉速和定子產生的磁場的速一樣，所以叫同步電機。

另外這裡的轉子也不是單純的一個磁鐵，如果這樣的話，會因為磁極方向單一導致受力不均勻，所以它一般是將更多個磁鐵放在定子上組成定子磁組，這樣就形成了一個SN極間隔的永磁轉子。

這樣磁場中的轉子由於任意方向都有磁鐵受力，因此這就使得轉子穩定的旋轉起來。當然線圈的通斷電是由轉子位置傳感器和開關控制的，它們三個的通斷也不是簡單的「你通我斷」，而是一個比較複雜的通斷規則，這裡就不細講了。

接下來我們講交流異步電機：

交流異步電機的定子由鐵芯、繞組與機座組成，轉子則是由鐵芯和繞組組成，轉子繞組有鼠籠式和線繞式，長這樣：

可以看到，交流異步電機沒有永磁體，它的轉子和定子都是靠通電才能產生磁場的。

由於使用的是三相交流電，所以，線圈在定子內每120度為一個單元，共三個單元，相互對稱排列。三個獨立繞組組合在一起形成一個360度的圓柱形定子。

因為交流電的頻率和方向是不斷變化的，所以假設我們給A繞組通入交流電，那麼它會產生一個方向和大小都不斷變化的磁場，對於另外兩個繞組來說也是這樣，類似下面這個圖：

本圖只示意三個繞組會產生大小方向變化的磁場，並不表示真實的大小和方向關係!

這時候我們需要一些矢量合成的知識，這三個有大小、有方向的磁場組合起來，形成了一個大小、方向不斷變化的磁場。然後我們把通電的順序調一下：A相先通電，等A相交流電電壓波形擺了三分之一周期再給B相通電，等B相電壓又擺了三分之一周期給C相通電。

這時候合成的磁場變成了這樣：大小固定，方向變化規律。

你可以簡單理解成這樣~

行了，有了這個磁場，轉子終於能愉快的轉動了~但是由於交流異步電機的轉子是鼠籠式，它會在定子產生的磁場中做初中物理我們熟悉的「導體切割磁感線運動」，產生了感應電流。

這個電流在旋轉的磁場中又受到安培力的作用，使導體轉動，這兩個轉動的疊加導致轉子的轉速和定子產生的磁場的速度不一樣，也就是「異步」的意思。具體可以看下面的圖：

同步/異步電機的優缺點?

還是先聊同步電機，它的優點很明顯，在同樣的重量和體積下，永磁同步電機能輸出更高的功率和扭矩。同理，在相同的功率和扭矩情況下，它的重量和體積小，為另一個極為重要的部件動力電池留出足夠的空間和質量。此外，永磁同步電機還擁有噪音較小的特點。

至於缺點，前面我說過，永磁體依賴稀土，如果想要大的功率，就要大塊的永磁體，造價高;而且雖然叫「永磁」，但它在高溫之類的惡劣環境下容易退磁。

至於異步電機，成本十分低廉，工藝簡單、運行可靠、維修方便等特點，能夠在複雜的工作環境中工作，也對周圍工作溫度的大幅度變化有比較強的適應能力。

但在同樣的功率和扭矩下，異步電機所需要的體積和重量要遠大於永磁同步電機。

特斯拉為啥喜歡用異步電機?

其實不光是特斯拉，很多歐洲品牌的電動車都喜歡用異步電機，比如寶馬i3，但中國和日本品牌卻不是這樣，對於永磁同步電機還是愛的深沉的。

至於特斯拉等國外品牌放棄優勢明顯的同步電機的原因，目前有幾種推論，一是異步電機更能適應惡劣的環境，而特斯拉這種定位較高的車型可能會比家用車更多的經歷激烈駕駛等狀況，那麼異步電機不易退磁的特性就非常它們契合了。

第二個是永磁同步電機的核心材料稀土的問題，對於我國和日本而言，我國擁有不錯的稀土資源，，日本則是稀土產業的大國，世界銷量前三的釹鐵硼公司：住友特殊金屬公司、新越化學實業公司和TDK集團都是日本公司，實力可見一斑。歐美國家可能就無法隨心所欲的使用稀土材料了。

第三是特斯拉在異步電機上有自己的專利，規避了異步電機的缺點，比如銅芯轉子的技術，下面簡單給大家介紹一下：

目前大多數異步電機的轉子，就是那個鼠籠，的材料是鋁，鋁有著較好的電導率和較低的熔點(660.4℃)成本也有優勢，但是它的效率有限，難以更進一步，如果使用電導率更高的銅來製作鼠籠，電機的效率將會顯著提升。

但是銅的熔點高(1083℃)，銅芯轉子難以製造;並且焊接銅的成本也很高，對焊點強度的要求也很高。

▲ 不同金屬電阻率

Tesla的專利Rotor Design for An Electric Motor，採用了焊接銅工藝，先是與焊接鼠籠技術方案相同，將銅條插入了轉子槽中，之後本來應該焊接端環，但特斯拉製造了一組表面鍍銀的銅質楔子，將這些楔子插入了銅條端部的間隙之中，插完楔子之後，在楔子和銅條之間進行焊接，這個焊接要求的成本、難度都比較低。焊接完成後，再把端環插進去。

實物長這樣：

好的，我們來總結一下本文：

責任編輯：lq

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