永磁同步電動機和渦輪發(fā)動機工作原理及優(yōu)缺點分析

孫文侃

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

由于時代的快速演變，經濟也正處于革新的狀態(tài)。發(fā)動機技術也在實時創(chuàng)新著。如今的新能源技術正代表著我國向著低污染、高效率的方向發(fā)展。而本文所介紹的永磁同步電動機以及渦輪發(fā)動機正是響應了節(jié)能減排的號召。因此，筆者通過自身多年的經驗積累，從兩種機械設備的工作原理的角度出發(fā)，并介紹其優(yōu)缺點，從而進行探索性的研究。

1 永磁同步電動機

永磁同步電動機的工作原理如下。當三種電流引入電機定子繞組時，電流引入后，電機定子繞組將形成旋轉磁場。由于轉子上安裝著因為永磁體，因此，可以得出永磁體中的磁極是固定不變的。根據磁極同相吸反相斥的原理，定子產生的旋轉磁場帶動轉子旋轉，最終達到轉子轉速，由于定子產生的旋轉磁極轉速相等，啟動永磁同步電動機的過程可以看作是由異步起動階段和吸合同步階段組成。在研究異步起動的時期，永磁同步電動機的旋轉速度是逐漸開始提高。速度不斷提高的關鍵所在主要是轉子磁路不對稱，從而引起的單軸旋轉。所以，在異步啟動的時期，速度不斷上升。在異步啟動時，是通過異步轉矩來對驅動電機進行加速。大多數其他扭矩主要是制動。當電機的轉動速度逐漸接近定子磁場的轉動速度，永磁同步電機受到永磁脈動轉矩的影響，很有可能會出現超過同步轉速或者轉速超調的現象。但是，最終在轉速震蕩一定時間后，最終將會實現同步轉動。

2 永磁同步電動機的優(yōu)點和缺點

2.1 節(jié)能、效率高

（1）由于永磁體使永磁同步電動機的磁場產生，可以有效避免受到勵磁電流的影響，從而減少勵磁損耗，俗稱銅損耗。但是，永磁同步電動機的缺點在于需要更多的單位轉矩電流，導致能量消耗較大。（2）另外，永磁同步電動機在輕載時，其特性曲線相比較異步電動機要高的多。因此，永磁同步電動機在節(jié)能提效方面是數一數二的。通常來說，當電動機驅動能量不足時，其功率運轉將不能達到驅動水平。可能是由于用戶在對電機進行選擇時，一般都會根據電機的負載能力或者極限工況確定電動機的功率。與此同時，用戶可能會進一步留存電機的功率裕度，以防電機在非正常情況下工作。另一方面，設計者在對電動機進行設計時，會根據不同用戶的需求對電動機保留一定的功率裕度，以此保證電機的可靠性。因此，在電動機實際運行中，其額定功率70%以下。因此，電動機通常工作在輕載區(qū)。（3）在電機輕載時，異步電動機在輕載時效率很低，永磁同步電動機能夠保持高效運轉，而異步電動機在輕載時效率低下。通過數據比較，永磁同步電動機的效率比異步電動機的效率高達20%以上。（4）新能源是時代發(fā)展的代名詞。上文所說，永磁同步電動機的效率遠遠高于異步電動機。這就意味著，在不增加蓄電池容量的情況下，永磁同步電動機可在相同時間內續(xù)航里程。

2.2 小巧輕便

由于永磁同步電動機的轉矩密度高于異步電動機。所以，永磁同步電動機肯容易能夠實現體積小、重量輕的優(yōu)勢。對于混合動力汽車來說，體積越小，重量越輕是混合動力汽車的關鍵所在。輕量化對汽車來說能夠節(jié)能減排，從而降低能源消耗，進一步擴大了新能源汽車的適用范圍。

3 渦輪發(fā)動機

3.1 渦輪發(fā)動機的工作原理

渦輪發(fā)動機通過使用噴氣推進技術的原理，從而避免了沖壓發(fā)動機的固有缺陷。因為渦輪發(fā)動機在低速運轉時，也能夠產生高強度的推力。渦輪噴氣發(fā)動機遵循著“工作周期”。它從大氣中將吸收的空氣進行加熱壓縮，從而產生一定的動力和能量。渦輪發(fā)動機以2500 英尺/秒（600 米/秒）或約1500 英里/小時（2200 公里/小時）的速度行駛把噴嘴推出。與此同時，渦輪繼續(xù)旋轉，高速射流從發(fā)動機中噴射出來。從而形成一個循環(huán)。總的來說，渦輪發(fā)動機的內部構造比較簡單。它主要包含兩個主要的部件。一個是壓縮機，另外一個是渦輪機。渦輪機也有一個或多個燃燒室。但是，并不是關于引擎的所有方面都具有簡單性，熱氣動問題更復雜。當噴氣發(fā)動機的速度低于450 英里/小時時，噴氣發(fā)動機的效率低于螺旋槳的效率。正是因為發(fā)電機的推進效率取決于飛行速度，而渦輪發(fā)動機的效率非常高，因此，渦輪發(fā)動機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。以上說的是飛機并沒有使用純渦輪噴氣發(fā)動機，而是使用螺旋槳和燃氣渦輪發(fā)動機的組合，即渦輪螺旋槳發(fā)動機。在某種程度上，螺旋槳/渦輪組合的優(yōu)點是由內、外發(fā)動機、管道風扇發(fā)動機和螺旋槳風扇驅動的。取而代之的是機器的引進。這些發(fā)動機比純噴氣發(fā)動機具有更高的流量和更低的噴射速度，因此，它們推進效率和渦流。因此，渦輪螺旋槳發(fā)動機的推進效率大大高于純噴氣發(fā)動機。渦輪/沖壓發(fā)動機與渦輪噴氣發(fā)動機與沖壓發(fā)動機結合在一起，燃氣機的組合在高馬赫數下具有良好的性能。這種發(fā)動機被涵洞包圍著，前部有可調進氣道，后部是帶有可調噴嘴的加力燃燒室。較低的發(fā)動機在傳統(tǒng)的渦輪噴氣發(fā)動機中工作。當飛機加速到3 馬赫或以上時，當車輪噴射機構關閉時，空氣通道中的空氣借助導葉繞過壓縮機，直接流入加力噴嘴。這樣，噴嘴成為沖壓發(fā)動機的燃燒室。發(fā)動機就像沖壓發(fā)動機一樣工作。渦輪發(fā)動機在結構上與渦輪沖壓發(fā)動機有異曲同工之妙。一個重要的區(qū)別在于他們有自己的燃料儲備。發(fā)動機有一個由多級渦輪驅動的低壓壓縮機，渦輪的動力在火箭燃燒室內燃燒燃料和液氧產生的。因為氣體溫度可能高達3500℃，所以需要在氣體進入渦輪之前添加燃料被注入燃燒室冷卻。然后，用壓縮機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)動機比渦輪沖壓發(fā)動機更小更輕，但它的機油耗費量更大。這一趨勢使其更適合航天器的攔截器或運載火箭。這些航天器攔截器或者運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時間的耐力。

3.2 渦輪發(fā)動機的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：（1）在渦輪發(fā)動機和自然吸氣發(fā)動機輸出功率相同時，小排量渦輪增壓發(fā)動機的效率高出自然吸氣發(fā)動機的15%。由此可見，小排量渦輪發(fā)動機的燃油效率高。主要原因在于小排量的排量小，導致其燃燒室減小，發(fā)動機的摩擦也相對減少，從而使渦輪發(fā)動機的機械效率得到提高。（2）渦輪技術可大量回收廢氣的能量，使整機的循環(huán)熱效得以提高。（3）當排量減小時，在相同的功率輸出條件下，指示的平均壓力增大，使發(fā)動機的負荷增大，使發(fā)動機的工作狀態(tài)向更高的效率方向移動。（4）除了通過發(fā)動機自身效率之外，還可以通過減輕發(fā)動機的重量，從而降低車輛的消耗。（5）如果對渦輪發(fā)動機進行適當的調整和標定，可以提高發(fā)動機在低速時的扭矩，使汽車在低速范圍內工作更多，可以進一步降低摩擦損失和泵氣損失，節(jié)油效果明顯。

缺點：（1）增壓效果不理想。如果在使用過程中出現掉電、黑煙、藍煙等問題，說明渦輪增壓器可能出現故障，油耗會增加。造成上述現象的原因是多方面的。我們主要總結如下幾點。首先，空氣濾清器沒有按時清潔。導致不能將高密度的清潔空氣輸送到發(fā)動機上。其次，葉輪損壞導致進氣不足的問題。最后，渦輪增壓器內灰塵過多，葉輪和增壓器殼體中間會有油泥，這是導致增壓器輪速不斷降低的主要原因。因此，造成了進氣不足的問題。（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鍵所在。（3）小排量的渦輪發(fā)動機對油量的消耗也產生了一定的副作用。發(fā)動機壓力的不斷增加進一步對汽油機的爆燃起到了導火線的作用，從而降低了發(fā)動機的效率。

4 結語

永磁同步電動機和渦輪發(fā)動機看似兩種不同類型的機械設備，但是，其工作原理都具有一定的復雜性。作為主流的技術得到了應用，并都為經濟領域帶來了巨大的經濟效益。由此證明，創(chuàng)新是時代發(fā)展的基礎。我們需要順應時代發(fā)展的潮流，不斷推陳出新。