永磁同步电动机和涡轮发动机工作原理及优缺点分析

2020-01-19孙文侃

中国设备工程 2020年8期

孙文侃

（甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃兰州 730050）

由于时代的快速演变，经济也正处于革新的状态。发动机技术也在实时创新着。如今的新能源技术正代表着我国向着低污染、高效率的方向发展。而本文所介绍的永磁同步电动机以及涡轮发动机正是响应了节能减排的号召。因此，笔者通过自身多年的经验积累，从两种机械设备的工作原理的角度出发，并介绍其优缺点，从而进行探索性的研究。

1 永磁同步电动机

永磁同步电动机的工作原理如下。当三种电流引入电机定子绕组时，电流引入后，电机定子绕组将形成旋转磁场。由于转子上安装着因为永磁体，因此，可以得出永磁体中的磁极是固定不变的。根据磁极同相吸反相斥的原理，定子产生的旋转磁场带动转子旋转，最终达到转子转速，由于定子产生的旋转磁极转速相等，启动永磁同步电动机的过程可以看作是由异步起动阶段和吸合同步阶段组成。在研究异步起动的时期，永磁同步电动机的旋转速度是逐渐开始提高。速度不断提高的关键所在主要是转子磁路不对称，从而引起的单轴旋转。所以，在异步启动的时期，速度不断上升。在异步启动时，是通过异步转矩来对驱动电机进行加速。大多数其他扭矩主要是制动。当电机的转动速度逐渐接近定子磁场的转动速度，永磁同步电机受到永磁脉动转矩的影响，很有可能会出现超过同步转速或者转速超调的现象。但是，最终在转速震荡一定时间后，最终将会实现同步转动。

2 永磁同步电动机的优点和缺点

2.1 节能、效率高

（1）由于永磁体使永磁同步电动机的磁场产生，可以有效避免受到励磁电流的影响，从而减少励磁损耗，俗称铜损耗。但是，永磁同步电动机的缺点在于需要更多的单位转矩电流，导致能量消耗较大。（2）另外，永磁同步电动机在轻载时，其特性曲线相比较异步电动机要高的多。因此，永磁同步电动机在节能提效方面是数一数二的。通常来说，当电动机驱动能量不足时，其功率运转将不能达到驱动水平。可能是由于用户在对电机进行选择时，一般都会根据电机的负载能力或者极限工况确定电动机的功率。与此同时，用户可能会进一步留存电机的功率裕度，以防电机在非正常情况下工作。另一方面，设计者在对电动机进行设计时，会根据不同用户的需求对电动机保留一定的功率裕度，以此保证电机的可靠性。因此，在电动机实际运行中，其额定功率70%以下。因此，电动机通常工作在轻载区。（3）在电机轻载时，异步电动机在轻载时效率很低，永磁同步电动机能够保持高效运转，而异步电动机在轻载时效率低下。通过数据比较，永磁同步电动机的效率比异步电动机的效率高达20%以上。（4）新能源是时代发展的代名词。上文所说，永磁同步电动机的效率远远高于异步电动机。这就意味着，在不增加蓄电池容量的情况下，永磁同步电动机可在相同时间内续航里程。

2.2 小巧轻便

由于永磁同步电动机的转矩密度高于异步电动机。所以，永磁同步电动机肯容易能够实现体积小、重量轻的优势。对于混合动力汽车来说，体积越小，重量越轻是混合动力汽车的关键所在。轻量化对汽车来说能够节能减排，从而降低能源消耗，进一步扩大了新能源汽车的适用范围。

3 涡轮发动机

3.1 涡轮发动机的工作原理

涡轮发动机通过使用喷气推进技术的原理，从而避免了冲压发动机的固有缺陷。因为涡轮发动机在低速运转时，也能够产生高强度的推力。涡轮喷气发动机遵循着“工作周期”。它从大气中将吸收的空气进行加热压缩，从而产生一定的动力和能量。涡轮发动机以2500 英尺/秒（600 米/秒）或约1500 英里/小时（2200 公里/小时）的速度行驶把喷嘴推出。与此同时，涡轮继续旋转，高速射流从发动机中喷射出来。从而形成一个循环。总的来说，涡轮发动机的内部构造比较简单。它主要包含两个主要的部件。一个是压缩机，另外一个是涡轮机。涡轮机也有一个或多个燃烧室。但是，并不是关于引擎的所有方面都具有简单性，热气动问题更复杂。当喷气发动机的速度低于450 英里/小时时，喷气发动机的效率低于螺旋桨的效率。正是因为发电机的推进效率取决于飞行速度，而涡轮发动机的效率非常高，因此，涡轮发动机最适合于更高的飞行速度。然而，螺旋桨的高尖速度引起的湍流是350kph。螺旋桨效率在563kph 以上的迅速下降。以上说的是飞机并没有使用纯涡轮喷气发动机，而是使用螺旋桨和燃气涡轮发动机的组合，即涡轮螺旋桨发动机。在某种程度上，螺旋桨/涡轮组合的优点是由内、外发动机、管道风扇发动机和螺旋桨风扇驱动的。取而代之的是机器的引进。这些发动机比纯喷气发动机具有更高的流量和更低的喷射速度，因此，它们推进效率和涡流。因此，涡轮螺旋桨发动机的推进效率大大高于纯喷气发动机。涡轮/冲压发动机与涡轮喷气发动机与冲压发动机结合在一起，燃气机的组合在高马赫数下具有良好的性能。这种发动机被涵洞包围着，前部有可调进气道，后部是带有可调喷嘴的加力燃烧室。较低的发动机在传统的涡轮喷气发动机中工作。当飞机加速到3 马赫或以上时，当车轮喷射机构关闭时，空气通道中的空气借助导叶绕过压缩机，直接流入加力喷嘴。这样，喷嘴成为冲压发动机的燃烧室。发动机就像冲压发动机一样工作。涡轮发动机在结构上与涡轮冲压发动机有异曲同工之妙。一个重要的区别在于他们有自己的燃料储备。发动机有一个由多级涡轮驱动的低压压缩机，涡轮的动力在火箭燃烧室内燃烧燃料和液氧产生的。因为气体温度可能高达3500℃，所以需要在气体进入涡轮之前添加燃料被注入燃烧室冷却。然后，用压缩机中的空气稀释这种富油混合物（气体），燃料在传统的加力燃烧系统中燃烧。虽然发动机比涡轮冲压发动机更小更轻，但它的机油耗费量更大。这一趋势使其更适合航天器的拦截器或运载火箭。这些航天器拦截器或者运载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长时间的耐力。

3.2 涡轮发动机的优点和缺点

优点：（1）在涡轮发动机和自然吸气发动机输出功率相同时，小排量涡轮增压发动机的效率高出自然吸气发动机的15%。由此可见，小排量涡轮发动机的燃油效率高。主要原因在于小排量的排量小，导致其燃烧室减小，发动机的摩擦也相对减少，从而使涡轮发动机的机械效率得到提高。（2）涡轮技术可大量回收废气的能量，使整机的循环热效得以提高。（3）当排量减小时，在相同的功率输出条件下，指示的平均压力增大，使发动机的负荷增大，使发动机的工作状态向更高的效率方向移动。（4）除了通过发动机自身效率之外，还可以通过减轻发动机的重量，从而降低车辆的消耗。（5）如果对涡轮发动机进行适当的调整和标定，可以提高发动机在低速时的扭矩，使汽车在低速范围内工作更多，可以进一步降低摩擦损失和泵气损失，节油效果明显。

缺点：（1）增压效果不理想。如果在使用过程中出现掉电、黑烟、蓝烟等问题，说明涡轮增压器可能出现故障，油耗会增加。造成上述现象的原因是多方面的。我们主要总结如下几点。首先，空气滤清器没有按时清洁。导致不能将高密度的清洁空气输送到发动机上。其次，叶轮损坏导致进气不足的问题。最后，涡轮增压器内灰尘过多，叶轮和增压器壳体中间会有油泥，这是导致增压器轮速不断降低的主要原因。因此，造成了进气不足的问题。（2）涡轮增压器漏油量的增加直接反映了涡轮增压器的漏油问题。虽然油耗有所增加，但排气烟色和功率没有异常问题。这是涡轮增压器泄漏的关键所在。（3）小排量的涡轮发动机对油量的消耗也产生了一定的副作用。发动机压力的不断增加进一步对汽油机的爆燃起到了导火线的作用，从而降低了发动机的效率。