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只要3分钟 看懂下一个改变世界的黑科技—特斯拉电机

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发表于 2017-12-4 13:58:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

                                       

【沙龙】51CTO诚邀您9月23号和多位技术大咖一起聊智能CDN的优化之路,抓紧时间哦!
100多年前卡尔?本茨发明出了以燃油为能源的汽车,虽然当时的汽车运行速度还不如马车快,实用性也捉襟见肘,但是卡尔?本茨坚信内燃机技术的不断改进必将取代马车,改变人类的交通方式。10年前苹果公司前首席执行官史蒂夫·乔布斯发布了第一款人工智能手机,虽然当时第一代的iPhone智能手机在市场上并没有获得认可,但是他坚信,智能通讯技术的不断改进也终将取代传统通讯,最终将革新人类的通讯方式,开创一个既有声更有色的通讯时代。
早在2003年燃油车正是盛行的时代,马丁?艾伯哈德与长期商业伙伴马克?塔彭宁(Marc Tarpenning)合伙成立特斯拉(TESLA)汽车公司只做电动汽车,首次提出将电能使用在出行交通工具上推动全球加速向可持续能源交通转变。在当时,这种想法被沦为被大多数人饭后谈资,认为荒谬不堪。因为人们不敢相信电动机可以拖动一顿多重的汽车,甚至可以跑的很快,性能更可靠,能源可再生,对空气的污染也几乎是零。现在可以看见特斯拉做到了,充电一小时左右续航里程就可以达到400Km,而且性能也非常可靠。这其中的功劳,离不开特斯拉研发的动力科技一一交流感应(异步)电机。
今天侃弟就给大家简单的介绍一下特斯拉所搭载的交流感应电动机。
电机的基本分类
电机按能量转换方式的不同,一般可以分为电动机、发电机两项功能。按供能类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电动机。其中适合于新能源汽车的驱动的电机主要有永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机三大类。因其结构和控制特点不同,在汽车市场上选用的范围也有所不同。
感应(异步)电动机的发展历史:
尼古拉·特斯拉或许不如爱因斯坦有名,但是其在科学上做出贡献至今受益我们。当年为了和爱迪生的直流电系统对抗,特斯拉发明了三相交流电(动力电),还发明了交流电的应用三相交流异步电机也就是特斯拉汽车的动力心脏的鼻祖。还有广为人知的特斯拉线圈、特斯拉效应、特斯拉变压器(交变压远程送电技术)、特斯拉无线远程控制系统以及著名的尼亚加拉水电站等都是出自他的研究。他的一生获得了大约1000项发明,分布在科学和工程学各个领域。
今天我们要说的就是他著名的发明之一“特斯拉电机”在汽车领域的应用。
电动车动力系统的基本原理:
电动汽车的整个动力心脏和内燃汽车完全不同,一般由储存电能的储能机构(ESS),将能量输出给转换器和功率控制模块(PEM)通过控制传感器感知驾驶员操作需求和路况来驱动执行电机(马达)。
储能(ESS)
汽车储能系统只能储存直流电,而感应电动机使用的是交流电,要想为其供电,必须首先将直流电逆变为交流电,这一功能是由功率电子模块 (PEM)完成。
转换器和功率控制模块(PEM)
特斯拉汽车的功率电子模块使用 72 个绝缘栅双极晶体管(IGBT)将直流电转换为交流电。除了控制充电和放电速率,功率电子模块还控制电压等级、电机的 RPM(每分钟转数)、转矩和再生制动系统。该制动系统通常通过制动捕获动能,并将其反馈传输回 ESS(能量回收)。
动力输出马达:
电池组供电给功率电子模块控制马达(交流感应(异步)电动机)转速,驱动汽车。
感应(异步)电机的结构原理:
电机一般由定子(静止不动的部分),转子(旋转产生动能的部分),机座(连接定子和转子的壳体),散热部件等构成。
电动机基本结构图:
特斯拉使用感应(异步)电动机,准确的说 是 3 相(定子绕组采用三角形连接或者星型连接),4极感应电动机(极对数是电机的一个重要参数,两极电机就是一个极对数,四极就是两个极对数。电动机的转速n=(1-S)60f/P,S是电机的转差率,f为电源频率,P就是极对数了。当极对数固定点的时候,想要控制电机的转速只需要控制通电电压的频率就好了)。控制定子线圈的通电频率,从而产生可变强弱旋转的电磁场,与转子绕组感应磁场相对运动,转子绕组切割磁感线产生感应电动势,从而使转子绕组中产生感应电流。转子绕组中的感应电流与磁场作用,产生电磁转矩,使转子旋转。
这部分的结构比较难懂 客官们可以简单的理解为,控制交流电的频率,使电动机的转速变化,驱动汽车。
定子绕组采用三角形连接或者星型连接如图:
四极的接线方式:
定子与转子之间的转差率:
尼古拉·特斯拉(感应电动机)设计手稿图:(学霸专场)
感应(异步)电机的优势:
1.?能忍受大幅度的工作温度变化。而相反温度大幅度变化会损坏永磁电动机。
2.?感应电动机的输出扭矩可以在大范围内调整,因此无需安装第二套乃至第三套传动机构。特斯拉设计的电机转速能达到12000转并且能产生最高为400牛顿米的扭矩,能在加速或爬坡时强制提高输出扭矩(虽然时间很短),而永磁电机的电动车要通过齿轮箱来输出更多的扭矩来实现提速。
3.?体积小。目前电动汽车大多数电机还是属于水冷,而采用水冷散热的电机,意味着电机体积更大,因为水路太占用体积了。而特斯拉采用感应电机可以将体积做到西瓜大小,这样的优点是其散热更快,请不要忽视电机散热对电机体积的影响。这种设计他们的热量交换设计给小型化带来了更大的空间,不需要像其他电动车那样安装散热器,冷却风扇、水泵等散热机构,这样也降低了其热消耗率。
体积小带来了另一个优点,大家知道电机功率=转速*转矩 。将电机做小,就可以保证功率不变的情况下,减小电机体积,增加电机的转速,保证低速(起步)扭矩。
4.重量轻。有一句行话叫做: “宁减一斤,不增十匹”而特斯拉电机体积类似西瓜大小,重量不过52公斤。转速区间可以达到0—12000转,所以无需安装多余的传动机构。所以其车身的重量在新能源汽车中占有绝大的优势。
感应(异步)电机的缺点:
1.过去感应异步电动机最大的缺陷是难以控制转子的旋转速度,但随着现代半导体控制技术的发展,这一问题已经被解决。
2.?异步感应电机由于单边励磁,产生单位转矩需要的很大的电流,而且定子中有无功励磁电流,因此能耗较大,功率因数滞后。
3.缺点是结构复杂、采用感应(异步)电机,其控制系统复杂技术要求高,制造成本高。所以特斯拉汽车价格不菲,短时间内很难做到平民化。
感应(异步)电机与永磁(同步)电机的区别:
大家都知道对于电动汽车不同的厂家采用的电机都有所不同,比如特斯拉公司采用的是三相感应电动机(异步电动机),而宝马丰田等厂家却采用的是稀土永磁电机。而他们之间有什么不同呢?
永磁电动机是同步电动机。其转子使用永磁体,定子产生电磁转矩来推动转子的磁场围绕轴心线进行旋转,定子和转子的磁场是同步的。而感应电动机是异步电动机,是由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机。
想要了解—稀土永磁电机的小伙伴们,赶紧留言点赞吧。侃弟会根据留言区大家最希望了解的汽车知识,作为下期的题材。
侃弟总结:

其实交流(异步)电机的雏形早在1887年就被发明出来了,但是其实用性并不高,在理念与实际应用之间存在着一个技术瓶颈。而真正突破技术瓶颈将交流感应电机发扬光大的是特斯拉汽车的科研团队,他们的结合了半导体控制技术,大大的增加了感应(异步)电动机实用性。比起特斯拉如今在电动车行业的地位,侃弟更加尊重特斯拉研发团队二十年如一日的科研精神,也正是这种信念和执着才使得电动清洁能源汽车代替普通燃油汽车 从理念转变为现实。如果要说要说汽油车革新了马车时代,那么电动车(交流异步电机)将也将代替普通燃油汽车,也会让我们的交通出行更加方便,赖以生存的大气环境更加清新美丽。

                    
               
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