旋转跳跃不停歇!汽车的电动机到底是如何工作的?

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相比传统的「燃油车」,对「纯电汽车」而言,最为突出的变化就是所谓的「三电」:「电动机」、「电池组」和「电控系统」(比较广义的认知)。最能给驾驶者带来直接体验的,应该就是「电动机」了,我们将在接下来的几期文章中,一起来了解一下「电动汽车」的「电动机」。

由「上下运动」转为「旋转运动」

记得几年前,还有不少的自媒体会将「燃油汽车」与「电动汽车」作对比,比如在零百加速、最大功率和最大扭矩等方面,以此突显「电动汽车」可以秒杀「燃油汽车」……

特斯拉(双电动机)vs法拉利(V8架构发动机)(数据源自汽车之家)

对于自媒体这种『略耍流氓』的对比行为,现在看来还有几分怀念。但随着大家对两类汽车的「驱动系统」迥然不同的逐步了解,大家也渐渐体会到两者各有优劣。相信驾驶过非40万元以上「纯电汽车」的车主,都会有这样的感觉:

论起步,20万元左右的「电动汽车」(以「电动机」起步)可以称霸一时;但论60km/h~100km/h的中后段加速,「电动汽车」似乎就开始『软』了。

「燃油汽车」的「四冲程」发动机工作原理

大部分「燃油汽车」的「发动机」是通过在「气缸」中点燃汽油产生热(爆炸),推动「活塞」做「四冲程」的上下运动,又通过「曲柄连杆」转换为旋转运动,形成驱动汽车的动力。换言之,「发动机」与古老的「蒸汽机」一样,将热能转换成机械能。

燃油发动机转速(RPM)与使用效率(EFFICIENCY)的关系

其结构的优缺点,相信大部分略懂汽车的朋友都能道出几点。而其中让工程师最头疼的缺陷在于:「发动机」仅在有限的「转速」范围内,才可以产生可用的「扭矩」和「功率」。也就是说,如果汽车只有一个档位(只有手动挡的一档),那么无论你怎么踩油门,让「发动机」如何疯转,汽车在达到一定的速度后(一般不会超过20km/h),都不会再提速了。

占用发动机舱大量空间的各类变速箱

这一点就带来很多后续的麻烦:

1. 必须将「发动机」保持在最佳「转速」范围内;

2. 所以必须研发有一个变速装置,来调节「发动机」输出的动力;

3. 「发动机」在能源使用「效率」上很低(小于42%)……

通用汽车交流异步电动机构造

而反观「电动汽车」的「电动机」,好像一些就简单了很多,因为:

1. 我们不必再担心「发动机」在做「上下运动」转换为「旋转运动」白白浪费能量。因为「电动机」的「转子」本来就做「旋转运动」;

2. 我们不必再担心能源使用「效率」。因为「电动机」在任何转速下,都能保持90%左右的能源使用「效率」;

3. 我们不必再担心……

但在我们详解「电动机」的优势前,还是有必要先了解一下「电动机」的原理。

「电动机」的基本原理

为了清晰地说明「电动机」的原理,我们先从一个小小的实验开始:

先来看几个小图示,我们将一根电线看做一个桶,而在桶中流动的「电流」比作一支弓箭,当「电流」的方向穿入纸面时,我们看到的是箭尾的羽毛划出的『十字』;反之,当「电流」的方向穿出纸面时,我们看到的是箭头,即是一个点。

这是一张最简单的(带电「线圈」)电路图,其中有我们实验需要使用的一根「导线」,还要一个「电源」(此处为一节干电池)。当我们从截面观察「导线」两侧时,「电流」的方向分别是箭头(左侧)和箭尾(右侧)。同时也要注意上图中「线圈」两侧的颜色,左侧的为蓝色,右侧的为红色。

当我们将这个「线圈」放入一个由两块吸铁石(「永磁体」)所构成的「磁场」中,于是有趣的事情发生了,根据「左手定理」:张开左手,让「磁感线」穿入手心,四指指向「电流」方向,那么大拇指的方向就是「线圈」两侧的受力方向。在上图中「线圈」左侧向上,右侧向下。在这种作用力下,「线圈」就开始『旋转』。

然而,「线圈」只能旋转90°,因为当「线圈」的两侧垂直于「磁场」时,由于力的方向仍然没变,「线圈」就『卡当』了,无法使其继续旋转。而有一种简单的办法让「线圈」保持旋转——在「线圈」的两侧垂直于「磁场」的瞬间断开「电源」!让「线圈」在「惯性」的作用下继续旋转90°。

当「线圈」从起始位置旋转180°后,我们需要改变「电流」的方向,让「线圈」继续旋转90°,接下来再断开「电源」让它走完最后的90°,这样「线圈」就完成一次360°的旋转。当你看懂了以上几张图,恭喜你,你已经了解「电动机」最基本的原理。

「直流电动机」工作原理(简图)

「直流电动机」工作原理(动图)

实验中我们使用了干电池,即以「直流电」作为供电电源,所以这类「电动机」被称为「直流电动机」。此外,为保持我们「线圈」旋转,我们需要转换「电流」的方向,『笨办法』是将干电池换个方向,但实际应用中,可以使用一种叫「转向器」的组件来完成。最后,实验所用的吸铁石充当着「直流电动机」中「定子」的角色,而旋转在「定子」中的「线圈」则被称为「转子」。

未完待续

下期,我们来深入了解各类「电动机」

「电动机」的话题是一个大话题,不是三言两语就能解释清楚,希望通过本文中的小实验,让完全不懂「电动机」原理的朋友能有一个最基本的具象概念。本文也只刚刚开启「电动机」原理的大门,在接下来的章节中,我们将按照不同的「电动机」分类,详解主流「电动汽车」的「电动机」,敬请期待~