8.2 利用变频器和电动机产生旋转力

首先,我想从变频器的功能讲起,它发挥着将电传递到电动机的重要作用(照片8.1)。您或许没怎么听过变频器这个词,但如果说到从20世纪80年代开始使用的家用变频空调,您可能就比较熟悉了吧。

变频器

照片8.1 一种变频器
※照片由三菱汽车提供

变频器有两个功能。一个功能是转换直流电和交流电,另一个是根据电器的工作状况精确调整电功率。

首先我来解释一下直流电和交流电的转换。电动汽车是由储存在蓄电池里的电来驱动的,蓄电池放出的电是直流电,而电动汽车上的电动机是由交流电带动的。因此,在将蓄电池放出的直流电接入电动机之前,要利用变频器将其转换成交流电。

接着我再来讲一下电功率的调整。电动汽车的变频器与家用的变频空调理念相同。变频器不仅能够切换电源开关,还能根据电器的工作情况精确调整电功率。

过去的家用空调,要么打开,要么关上,也就是说只能选择开和关的其中一个。变频空调出现后,就能通过改变交流电频率调整电功率,从而调节空调的工作情况,即空调能够按照设定好的室温工作。变频空调作为节能空调,与一旦开启就只能最大限度工作的旧式空调完全不同。

电动汽车也能通过变频器控制电功率来改变电动机的转速,调整加速的程度。当改变了电动汽车中电动机的转速时,变频器也会改变交流电的频率,使蓄电池放出的电量发生变化。频率升高,放出的电量也会增加,从而带动电动汽车加速。

接下来我将介绍电动汽车的关键部分——电动机,它的结构比发动机简单得多。磁铁有正极(+、N极)和负极(-、S极)且同极相斥,电动机正是利用了磁铁的这一性质带动轴旋转。

电动机里的磁铁,有永久磁铁和电磁铁的组合,也有单独使用电磁铁的情况。接下来,我将以实际中电动汽车所用的永久磁铁和电磁铁的组合为例进行讲解。

电动机呈圆柱形(照片8.2),中心有一根旋转轴,轴周围是圆柱形的结构。旋转轴上的永久磁铁左右是正极和负极,圆柱形结构的内侧装有电磁铁(图8.3)。当旋转轴上的永久磁铁和圆柱形内侧的电磁铁同极时,就会相互排斥,带动轴旋转。旋转到一半时,轴上的磁铁和圆柱形上的磁铁就变成异极相对了,此时它们相互吸引,轴也就停止转动了。这样看来,如果轴只旋转一半,电动机是无法持续工作的。

电动机

照片8.2 一种电动机
※照片由三菱汽车提供

电动汽车搭载的交流电动机的结构

图8.3 电动汽车搭载的交流电动机的结构
※利用变频器将蓄电池的电流转换成交流电,通入电动机,带动轴旋转。

因此将电磁铁和交流电组合起来是比较方便的。交流电能够时常变换正负极,因此如果给电动机通入交流电,电的流动就能变换电磁铁的正负极。也就是说,由于旋转到一半时磁铁的正负极会发生变化,继续相互排斥,因此电动机就能继续工作。

我们把使用交流电的电动机称为交流电动机。虽然交流电动机相当方便,但需要能够变换直流电和交流电的变频器,因此价格也相当昂贵。与只负责调节电量的调节器相比,变频器因为有变换直流电和交流电的功能,价格更高。

既然蓄电池的电流是直流电,那为什么不使用直流电动机呢?如果使用直流电动机,就无需再使用价格昂贵的变频器,不就能降低成本了吗?事实上,凭兴趣打造的私人电动汽车和无线电遥控车等电动模型,都是使用廉价的直流电动机。

电动汽车之所以使用交流电动机,很大程度上是为了利用它的再生*1功能。再生是电动汽车和汽油动力车最大的区别之一。我们不常听到再生这个词,英语是regenerative,就是再生的意思。所谓再生,就是在电动汽车减速时电动机发挥发电机的作用,利用其放出的电给蓄电池充电(图8.4)。正是因为电动机和发电机原本就是同一个装置,这项功能才能实现。

*1 熟悉火车的人常常会听到再生这个词。我们把火车加速称为上电,把减速称为再生。

图8.4  再生的结构
※电动机充当发电机,利用轮胎的转动发电,给蓄电池充电。

说到这儿,您可能会觉得不太好理解。此时您可以将再生看作是与电动机的工作相反的功能,它是用电动机代替发电机,通过对电动机施加外力带动轴转动从而放电。

我们有起死回生这个词,是指在一筹莫展时情况突然发生变化,失而复得。如果您把电动汽车的再生看作是回收用过的电的功能,或许能好理解一些。

再生所用的外力来自汽车轮胎的转动。当驾驶员松开加速踏板、停止向电动机输送电流时,行驶中的汽车轮胎的转动就会传递到电动机,此时电动机就充当了发电机的作用。

实现再生功能时是负责减速的力——制动力在发挥作用,也就是在实施制动。我们把这种制动称为再生制动

自行车的车灯就是存在于我们身边的再生制动的实例1。夜晚,为了点亮车灯启动发电机时,会觉得自行车的踏板蹬起来很费力,这是因为发电机的开启充当了阻力的作用。再生制动就是利用了这种阻力实施制动。实施再生制动时减速的感觉,和在汽油动力车中利用发动机制动实施制动的感觉很相像。

1 日本出售的自行车几乎都带有磨电灯,包括磨电机、车灯、将磨电机固定在自行车前叉上的安装定位支架以及套在磨电机外壳上的护套。自行车行驶时,钢圈带动磨电机转动,提供电能点亮车灯。——译者注

在电动汽车中,电动机和发电机是同一个装置,因此再生功能是电动汽车所特有的。电动汽车与汽油动力车大不相同,在电动汽车中,蓄电池放出的电带动电动机工作,从而驱动汽车,减速时依靠电动机发电,并将电回收到蓄电池中。

我们说电动汽车有益于保护环境,部分原因正在于它能够依靠再生功能回收一些用过的电,从而提高能源利用率。电动汽车不仅不会排放废气,还能更有效地利用电这一能源。

上一节我岔开话题讲到了再生,现在再回到交流电动机上吧。之前我讲过,电动汽车减速时是再生功能在发挥作用,电动机充当发电机,将电回收到蓄电池中。此时无论是直流发电机还是交流发电机,放出的电都是交流电,但给电池充电必须用直流电。因此再生时就需要用到转换装置,即变频器。

用于直流发电机、仅负责调节电功率的调节器并没有转换交流电和直流电的功能。也就是说,直流电动机和调节器组合时,再生功能是无法实现的。

如果您只是为了娱乐,想用电驱动电动汽车和无线电遥控车的话,直流电动机就足够了。但如果您想利用电动汽车提高能源利用率,并想在环境方面以及降低能源消耗等经济方面提高使用电动汽车的价值和效果,就需要用到交流发电机了。因此,汽车生产商们销售的电动汽车都搭载了交流发电机和变频器。

刚开始转动时,电动机和发动机输出力的方法存在很大的差异。两者输出的力都可以用扭矩特性图来展示(图8.5),它表示的是发动机和电动机转动时所产生的扭矩。

发动机和电动机的扭矩特性图

图8.5 发动机和电动机的扭矩特性图
※发动机转速加快时扭矩就会增大,而电动机从转速为0开始就能产生很大的扭矩。

发动机启动后处于每分钟转速500~600次的空转状态。当驾驶员踩下加速踏板转速逐渐加快时,扭矩也会慢慢增大。且当转速到达某一数值时扭矩会增加到最大值,此后即使转速加快扭矩也会逐渐减小。因此发动机的扭矩特性图呈山峰形。

当发动机转速较慢时,吸入发动机内的空气的强度也较小,因此此时的扭矩相对较小。转速加快时会吸入更多的空气,汽油量也随之增加,因此发动机的扭矩也会逐渐增大。但当转速超过某一数值时,气缸和活塞的摩擦等各种阻力就会增加,使得扭矩逐渐减小。

而电动机没有空转状态,在驾驶员踩下加速踏板、电动机开始转动时,就能产生很大的扭矩。并且刚开始转动时电动机产生的力就是最大的,即能够产生最大扭矩。因此电动机的扭矩特性图呈梯形,在转速为0时达到最大值。如果增加了通入电动机的电量,那么电动机即使处于转速为0的状态也能产生很大的扭矩。

无论是发动机还是电动机,转速较高时扭矩都较小。但扭矩较小时如果加快转速,就能在短时间内产生很大的力,这就意味着一定时间内力的总量就会增加。也就是说,因为力的增加,汽车跑得更快了。在这一点上,发动机和电动机都是如此。

但由于有无变速器的巨大差异,两者的扭矩在输出方式上有很大不同。刚才我们了解到,发动机转速加快时扭矩才会增大,而电动机从踩下加速踏板汽车开始发动时,就能产生最大扭矩。正因如此,电动机才不需要依靠大小齿轮组合增加旋转力的变速器。在汽油动力车中,汽车发动时发动机转速很低,扭矩很小,因此需要利用变速器的齿轮组合增加力量来驱动汽车。

如上所述,电动机的扭矩特性与发动机的完全不同。与电动汽车一样,燃料电池车使用的也是电动机。利用电动机的扭矩特性,燃料电池车不使用变速器仍能以超过时速100km的速度高速行驶。由于加速时无需切换齿轮,因此驾驶时类似于汽油动力车中的自动挡汽车,而不是手动档汽车。也正是因为没有变速器,电动汽车也就不会产生因齿轮切换引起的换档冲击,因此能够行驶得更加平稳。

然而,即使从发动时开始就能产生很大的扭矩,但一个小小的电动机是无法驱动重达1吨的电动汽车的,因此就要利用差速器进行减速了。也有的电动汽车在每个轮子上都配备了电动机而不安装差速器,但此时要给每个电动机都装上减速齿轮,减速比大约为6:1。

电动机是利用电产生的磁场(即磁铁)的原理转动的,而不是像发动机一样靠燃烧燃料工作的。电动机不燃烧就能很安静地产生旋转力,也很少会有振动。

燃烧燃料时,如果是像炉子一样只燃烧燃料就不会发出很大的声音。但由于发动机是将燃料和空气压缩后将其引燃,像爆炸一样极速燃烧从而产生很大的力,因此声音也会很大,同时还会产生振动。

实际上,汽油动力车也在致力于发动机的安静和无振动,高级汽车甚至将安静、振动少作为了宣传重点。因此我们可以说,电动汽车具备了与高级汽车相同的安静和振动少的特点。

然而实际乘坐电动汽车或者观察其行驶状态时就会发现,它多少还是会发出声音的。我们能够听到的“咔咔”的金属声,是变频器发出的控制声,是在调节通入电动机的电量时发出的声音。给变频器通入电流时,变频器需要用开关变换频率,开闭开关的连续声音就会形成“咔咔”的噪音。虽然不如发动机的噪音大,但由于电动汽车在行驶时相当安静,因此这种控制声也就格外引人注目。

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