永磁同步電動(dòng)機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

孫文侃

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730050）

由于時(shí)代的快速演變，經(jīng)濟(jì)也正處于革新的狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也在實(shí)時(shí)創(chuàng)新著。如今的新能源技術(shù)正代表著我國(guó)向著低污染、高效率的方向發(fā)展。而本文所介紹的永磁同步電動(dòng)機(jī)以及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)正是響應(yīng)了節(jié)能減排的號(hào)召。因此，筆者通過自身多年的經(jīng)驗(yàn)積累，從兩種機(jī)械設(shè)備的工作原理的角度出發(fā)，并介紹其優(yōu)缺點(diǎn)，從而進(jìn)行探索性的研究。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理如下。當(dāng)三種電流引入電機(jī)定子繞組時(shí)，電流引入后，電機(jī)定子繞組將形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子上安裝著因?yàn)橛来朋w，因此，可以得出永磁體中的磁極是固定不變的。根據(jù)磁極同相吸反相斥的原理，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，由于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)速相等，啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的過程可以看作是由異步起動(dòng)階段和吸合同步階段組成。在研究異步起動(dòng)的時(shí)期，永磁同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度是逐漸開始提高。速度不斷提高的關(guān)鍵所在主要是轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱，從而引起的單軸旋轉(zhuǎn)。所以，在異步啟動(dòng)的時(shí)期，速度不斷上升。在異步啟動(dòng)時(shí)，是通過異步轉(zhuǎn)矩來對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行加速。大多數(shù)其他扭矩主要是制動(dòng)。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度逐漸接近定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，永磁同步電機(jī)受到永磁脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響，很有可能會(huì)出現(xiàn)超過同步轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)速超調(diào)的現(xiàn)象。但是，最終在轉(zhuǎn)速震蕩一定時(shí)間后，最終將會(huì)實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

2.1 節(jié)能、效率高

（1）由于永磁體使永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)產(chǎn)生，可以有效避免受到勵(lì)磁電流的影響，從而減少勵(lì)磁損耗，俗稱銅損耗。但是，永磁同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)在于需要更多的單位轉(zhuǎn)矩電流，導(dǎo)致能量消耗較大。（2）另外，永磁同步電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)，其特性曲線相比較異步電動(dòng)機(jī)要高的多。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)在節(jié)能提效方面是數(shù)一數(shù)二的。通常來說，當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能量不足時(shí)，其功率運(yùn)轉(zhuǎn)將不能達(dá)到驅(qū)動(dòng)水平?？赡苁怯捎谟脩粼趯?duì)電機(jī)進(jìn)行選擇時(shí)，一般都會(huì)根據(jù)電機(jī)的負(fù)載能力或者極限工況確定電動(dòng)機(jī)的功率。與此同時(shí)，用戶可能會(huì)進(jìn)一步留存電機(jī)的功率裕度，以防電機(jī)在非正常情況下工作。另一方面，設(shè)計(jì)者在對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)不同用戶的需求對(duì)電動(dòng)機(jī)保留一定的功率裕度，以此保證電機(jī)的可靠性。因此，在電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，其額定功率70%以下。因此，電動(dòng)機(jī)通常工作在輕載區(qū)。（3）在電機(jī)輕載時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)效率很低，永磁同步電動(dòng)機(jī)能夠保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)，而異步電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)效率低下。通過數(shù)據(jù)比較，永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率比異步電動(dòng)機(jī)的效率高達(dá)20%以上。（4）新能源是時(shí)代發(fā)展的代名詞。上文所說，永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于異步電動(dòng)機(jī)。這就意味著，在不增加蓄電池容量的情況下，永磁同步電動(dòng)機(jī)可在相同時(shí)間內(nèi)續(xù)航里程。

2.2 小巧輕便

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度高于異步電動(dòng)機(jī)。所以，永磁同步電動(dòng)機(jī)肯容易能夠?qū)崿F(xiàn)體積小、重量輕的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于混合動(dòng)力汽車來說，體積越小，重量越輕是混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵所在。輕量化對(duì)汽車來說能夠節(jié)能減排，從而降低能源消耗，進(jìn)一步擴(kuò)大了新能源汽車的適用范圍。

3 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

3.1 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通過使用噴氣推進(jìn)技術(shù)的原理，從而避免了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的固有缺陷。因?yàn)闇u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的推力。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)遵循著“工作周期”。它從大氣中將吸收的空氣進(jìn)行加熱壓縮，從而產(chǎn)生一定的動(dòng)力和能量。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)以2500 英尺/秒（600 米/秒）或約1500 英里/小時(shí)（2200 公里/小時(shí)）的速度行駛把噴嘴推出。與此同時(shí)，渦輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，高速射流從發(fā)動(dòng)機(jī)中噴射出來。從而形成一個(gè)循環(huán)?？偟膩碚f，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造比較簡(jiǎn)單。它主要包含兩個(gè)主要的部件。一個(gè)是壓縮機(jī)，另外一個(gè)是渦輪機(jī)。渦輪機(jī)也有一個(gè)或多個(gè)燃燒室。但是，并不是關(guān)于引擎的所有方面都具有簡(jiǎn)單性，熱氣動(dòng)問題更復(fù)雜。當(dāng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的速度低于450 英里/小時(shí)時(shí)，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率低于螺旋槳的效率。正是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的推進(jìn)效率取決于飛行速度，而渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率非常高，因此，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)最適合于更高的飛行速度。然而，螺旋槳的高尖速度引起的湍流是350kph。螺旋槳效率在563kph 以上的迅速下降。以上說的是飛機(jī)并沒有使用純渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，而是使用螺旋槳和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的組合，即渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)。在某種程度上，螺旋槳/渦輪組合的優(yōu)點(diǎn)是由內(nèi)、外發(fā)動(dòng)機(jī)、管道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的。取而代之的是機(jī)器的引進(jìn)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)比純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的流量和更低的噴射速度，因此，它們推進(jìn)效率和渦流。因此，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率大大高于純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。渦輪/沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合在一起，燃?xì)鈾C(jī)的組合在高馬赫數(shù)下具有良好的性能。這種發(fā)動(dòng)機(jī)被涵洞包圍著，前部有可調(diào)進(jìn)氣道，后部是帶有可調(diào)噴嘴的加力燃燒室。較低的發(fā)動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中工作。當(dāng)飛機(jī)加速到3 馬赫或以上時(shí)，當(dāng)車輪噴射機(jī)構(gòu)關(guān)閉時(shí)，空氣通道中的空氣借助導(dǎo)葉繞過壓縮機(jī)，直接流入加力噴嘴。這樣，噴嘴成為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。發(fā)動(dòng)機(jī)就像沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)一樣工作。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上與渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)有異曲同工之妙。一個(gè)重要的區(qū)別在于他們有自己的燃料儲(chǔ)備。發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)由多級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)的低壓壓縮機(jī)，渦輪的動(dòng)力在火箭燃燒室內(nèi)燃燒燃料和液氧產(chǎn)生的。因?yàn)闅怏w溫度可能高達(dá)3500℃，所以需要在氣體進(jìn)入渦輪之前添加燃料被注入燃燒室冷卻。然后，用壓縮機(jī)中的空氣稀釋這種富油混合物（氣體），燃料在傳統(tǒng)的加力燃燒系統(tǒng)中燃燒。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)比渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)更小更輕，但它的機(jī)油耗費(fèi)量更大。這一趨勢(shì)使其更適合航天器的攔截器或運(yùn)載火箭。這些航天器攔截器或者運(yùn)載火箭需要高海拔和高速度性能，通常需要高加速度而不需要長(zhǎng)時(shí)間的耐力。

3.2 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率相同時(shí)，小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的效率高出自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的15%。由此可見，小排量渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率高。主要原因在于小排量的排量小，導(dǎo)致其燃燒室減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦也相對(duì)減少，從而使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率得到提高。（2）渦輪技術(shù)可大量回收廢氣的能量，使整機(jī)的循環(huán)熱效得以提高。（3）當(dāng)排量減小時(shí)，在相同的功率輸出條件下，指示的平均壓力增大，使發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增大，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)向更高的效率方向移動(dòng)。（4）除了通過發(fā)動(dòng)機(jī)自身效率之外，還可以通過減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，從而降低車輛的消耗。（5）如果對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和標(biāo)定，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的扭矩，使汽車在低速范圍內(nèi)工作更多，可以進(jìn)一步降低摩擦損失和泵氣損失，節(jié)油效果明顯。

缺點(diǎn)：（1）增壓效果不理想。如果在使用過程中出現(xiàn)掉電、黑煙、藍(lán)煙等問題，說明渦輪增壓器可能出現(xiàn)故障，油耗會(huì)增加。造成上述現(xiàn)象的原因是多方面的。我們主要總結(jié)如下幾點(diǎn)。首先，空氣濾清器沒有按時(shí)清潔。導(dǎo)致不能將高密度的清潔空氣輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)上。其次，葉輪損壞導(dǎo)致進(jìn)氣不足的問題。最后，渦輪增壓器內(nèi)灰塵過多，葉輪和增壓器殼體中間會(huì)有油泥，這是導(dǎo)致增壓器輪速不斷降低的主要原因。因此，造成了進(jìn)氣不足的問題。（2）渦輪增壓器漏油量的增加直接反映了渦輪增壓器的漏油問題。雖然油耗有所增加，但排氣煙色和功率沒有異常問題。這是渦輪增壓器泄漏的關(guān)鍵所在。（3）小排量的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)油量的消耗也產(chǎn)生了一定的副作用。發(fā)動(dòng)機(jī)壓力的不斷增加進(jìn)一步對(duì)汽油機(jī)的爆燃起到了導(dǎo)火線的作用，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁同步電動(dòng)機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)看似兩種不同類型的機(jī)械設(shè)備，但是，其工作原理都具有一定的復(fù)雜性。作為主流的技術(shù)得到了應(yīng)用，并都為經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由此證明，創(chuàng)新是時(shí)代發(fā)展的基礎(chǔ)。我們需要順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流，不斷推陳出新。