特斯拉的三相四极交流感应电动机-为什么尼古拉·特斯拉的19世纪感应电动机是21世纪电动汽车的理想选择

突击测验：您正在参加鸡尾酒会。不可避免地，谈话变成了电动汽车。有吸引力的异性成员俯身向您倾斜，像一个从伏特数了解安培的人向您放大大小，将一双卧室蓝眼睛朝您的方向聚焦，像激光束一样在您的身体上烧一个洞，并且柔软，暗示性的声音说：“嘿，特斯拉汽车公司使用三相4极交流感应电动机为汽车提供动力吗？他们为什么要走那条路？”

乍一看仍在恢复，您回复了一个埃隆式的口吻，“嗯..嗯..是的，我。我可以告诉大家。”当您的大脑解冻时，答案就如诗歌般从您的舌头滚落下来，不久您和您的询问者便在舞池里一起演奏优美的音乐。

除非您是个白痴，否则在穿上燕尾服之前忘了准备进行这样的询问。这就是该实用的“三相4极交流感应电动机的入门产品”的所在地。它是如何应对这一问题的快速研究。此外，这本便捷的花花公子指南会训练您以与发问者的精确怪胎水平相对应的答案进行回答。您想避免让您过多地使用会导致情绪下降的细枝末节………但是您不想在细节方面有所欠缺。这就像是一件大事。

让我们从基础开始。为什么“特斯拉汽车公司使用三相4极交流感应电动机为其所有汽车供电”的问题的最简短答案当然是“因为”。如果可行，那就好。移到舞池。如果需要进一步的响应，则精心制作的原因是特斯拉汽车公司许可使用该技术的原型电动汽车已经在使用交流电动机。此外，有人指出，如果使用了直流电动机，那么鉴于尼古拉·特斯拉使用交流电而不是直流电，那么特斯拉汽车就不能称为特斯拉汽车。

极客一级

如果需要进一步的解释，您可能会遇到某种程度不同的怪胎。因此，我们将其提升一个档次。现在是时候给这个人提供AC感应电动机相对于您的各种DC等效电动机的实际优势了。他们是：

简化设计，降低成本，减少零件，提高可靠性，减少原材料价格波动和短缺的机会

更高可靠性的一个原因是，在老式直流电动机上发现的称为电刷的零件寿命有限。一对刷子与旋转轴物理啮合，并产生摩擦。因此，电刷会在达到电机使用寿命之前很久就磨损。

消除的其他重要部件是永磁体。经常在电动机中使用的磁体是所谓的稀土磁体，稀土磁体非常强大。中国拥有大量的稀土矿床，过去曾限制其出口。除了价格昂贵之外，永磁体通常还会增加电动机的重量，并且容易退磁和损坏，并且还有一些替代方案可以更好地控制它们产生的磁场。实际上，交流电实际上替代了磁体。

因此，消除遭受损坏或短缺的零件，减少零件总数（及其相关的成本）以及减轻电机重量都提出了令人信服的论点。也许现在谈话可以移到舞池了。如果没有，可以使用更大的枪支。

极客2级

好。好吧，简单地概括交流感应电动机的优势的问题在于，摘要并未解释用来代替电刷的东西，或者是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）已有136年历史的允许磁铁出现的发明的含义。出来。

在进一步介绍之前，它有助于理解有关电动机的一项基本知识（而且非常酷）。交流或直流，它们都是关于磁场的。磁力是这个游戏的名称。电磁力是自然界的四个基本力之一（其他是引力，强力（将原子保持在一起）和弱力（基本粒子的衰减））。

电磁力是使电动机旋转的超级英雄力。只需花一秒钟的时间来思考两个极性相同的磁体如何相互排斥，同样，当面对相反极性的磁体（相反的方向相互吸引）时磁体如何聚集在一起。因此，请想象一下，如果您要用胶带将一堆磁铁用胶带绑在一个懒惰的苏珊身上，然后在那捆磁铁附近放一块大磁铁。会发生什么？基本上就是电动机的工作方式。磁铁越大，旋转圆柱体的力就越大。无论是由磁体还是ICE供电，使电动机旋转的扭转力都称为转矩。对于电动机，磁场越强，转矩越大。

设计电动机时，有几种方法可以得出这些最重要的磁场。一种方法是使用天然（永久）磁铁。有些矿物质会自然磁化并发出电磁场。另一方面，如果您遇到使用稀土元素钕来配制合金的麻烦，则会得到电动机设计师喜欢的非常严肃的磁铁（更大的扭矩）。产生磁场的第二种方法是将几根铜线包起来，然后在绕组上施加DC（直流）电压。线圈将发射电磁场。第三，您可以使用交流电（交流电）创建一个电磁场，但是我们暂时保存一下。鉴于已经说过的话，我们现在有足够的入门知识来讨论电刷，磁体和交流感应电动机，希望这是有意义的，而不是抽象的概念。

刷子

简而言之，常规的直流电动机通过用一根由直流电源（被称为电枢，因为导线缠绕在金属框架的臂周围）供电的铜线绕组围绕旋转轴来工作。然后，转子会被来自固定位置的另一个磁场包围，这是通过将永久磁铁安装到环绕转子的金属外壳上来实现的（这种装置称为定子，因为它是固定的）。

问题是如何为转子上的线圈供电，因为它会旋转（使汽车上的车轮不断旋转）。这是刷子进入的地方。将导电材料压向转子即可完成工作，如下所示：

如您所见，一对碳刷连接到直流电源线。电刷与转子端部附近的指定区域进行物理接触，该区域将电压分配到电枢（其称为换向器，因为它对通过的电流进行换向）。这种设计的弱点是，您有两个部分相互摩擦，并且[较软的]刷子最终磨损成小块，必须更换。您不希望这种情况发生在交通中，这就是为什么有刷电机在EV中无法启动的原因。

注意：从绿色的角度来看，您不想在有刷电机周围。当电刷磨损时，它们会向空气中喷出讨厌的石墨颗粒。有刷电机对空气污染的影响很小。

现在，碰巧，直流电动机在一段时间前发展成为不需要电刷的版本。一些聪明的人有一个绝妙的主意，就是将永磁体从定子移动到转子，然后将电线线圈从转子移动到定子。有了这个进步，DC引线可以很容易地连接到电动机固定部分的线圈上。不再需要为转子供电。因此，电刷和换向器就出了。

磁铁

但是，磁铁仍然保留。出于上述所有原因，他们也需要离开。在这里，我们有机会了解特斯拉使用的交流感应电动机的光彩。

注意：EV-1中也使用了感应电动机。但是，现代混合动力汽车都使用无刷直流电动机。

输入交流电或交流电。与具有恒定极性的DC电压（例如带有正极和负极的AA电池）不同，AC每秒从正极变为负极几次（其极性从+变为-交替变化）。AC被测量为振荡正弦波。以家庭布线为例，电压从零升到正120伏……然后下降到零伏。然后，仅在极性相反的情况下重复循环。在美国，这种情况每秒发生60次，而在欧洲则为50Hz。这是交流正弦波的图像：

那么，你为什么在乎呢？因为每次电压上升和下降，都会产生一个电磁场。电压电平的变化产生了磁场。这是产生磁场的第三种新方法。大。但这如何帮助我们的电机？回想一下，既不需要绕线，也不需要磁铁绕转子。因此，您要做的是为转子使用铝或铜等导电材料的铸件，并使用交流电而非直流电为定子中的相对线圈对供电。定子中的一对线圈（相距180°）串联（圣诞树灯）。电线以顺时针方式缠绕在钢芯上，然后延伸到相对的线圈并以逆时针方式缠绕。

当向一对线圈施加交流电压时，会产生相反电荷的电磁场。磁场在导电转子的平面上彼此延伸，从而形成具有北极和南极的电磁体。这种活动引起电流在转子上流动。感应电流随着来自交流电源的电磁场起伏流动。随着转子电流的上升和下降，您猜会发生什么？由于相同的原因，在线圈中流动的电流会产生电磁场，因此在转子上流动的电流也是如此。

你明白了吗？这是感应电动机如何免除电刷和磁铁的关键。无需了解会产生电磁场或电磁场如何引起电流的物理现象，关键是，突然之间，转子就会产生磁场，以适应交流电流馈送的循环定子线圈。没有电刷和稀土磁体的麻烦，我们又回到了使电动机旋转的极为重要的两个相反的磁场。

因此，再次：定子上的成对线圈>向线圈施加交流电>在转子上产生电磁场>感应出电流在转子上流动>转子发出相反的电磁场>转子响应于磁场而转动拉。Voilà。交流感应电动机。这是该校长的动画。向下滚动到“交流感应电动机如何工作？”

谢谢尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）弄清楚了！

由于铜的导电性好得多，特斯拉的电动机使用铜转子代替铝。不过，这是一个更加困难且成本更高的过程。必须将铜加热到熔融状态，然后将其倒入具有铁/钢芯的模具中（称为压铸）。铝在660°C熔化，而铜在1000°C熔化。必须在不熔化芯片或芯子的情况下倒入铜。直到最近，这个过程才得以完善。结果是一种高效的电动机，它比同等的铝电动机小20％。

极客3级

好。够了吗？在舞池上了吗？哦，他们仍然想知道3相4极部分，是吗？好的。从“四极”开始……。较早的动画演示了2极电机。仅两个相对的线圈（串联）连接在一起。因此，可以使用两极或两极电机。动画有两组成对的线圈（蓝色和红色），实际的电动机在定子的圆周上将有几对，但仍被认为是2极电动机。

此设计的改进版本使用串联连接的4个线圈。一对磁极仍然彼此相对，但是另一对磁极相隔90°。因此，采用了4极电动机。将电路中的极数加倍会增加扭矩。想象一个苹果派切成四片。这使您对线圈的形貌有所了解，线圈位于每个切片的胖端。如2极电机所示，这4个线圈将有多组以相同的方式接线。您可以一直将它切成薄片，或者看看这个完全接线的定子：

很难说出这个定子有几极。这完全取决于线圈如何连接在一起。您正在寻找的是缠绕在定子长度上的绝缘铜线。出于明显的原因，电线线圈被称为绕组。

现在为3阶段的事情。三相交流电只是交流电的三个来源。它采用三根独立的电源线的形式。可以将AC相视为传统ICE中的圆柱体。气缸（动力源）越多，发动机运行越平稳。对？V8发动机比4缸发动机运行更平稳，并且动力更大。同样，与普通的单相电源（例如，家用插座）相比，使用三相电源完成的工作更多。但是如何最好地施加额外的能量呢？正弦波的早期图像是单相电路。让我们再次看一下正弦波，然后继续：

请注意，功率从零伏开始，随着周期从正变到负，降到零伏，然后又降到零伏。没有电压=在那一瞬间没有电流流过。没有电流等于没有电磁场。因此，以我们的示例60Hz功率为例，每秒没有120次功率。啊！对于特斯拉来说，这永远做不到。解决此“问题”的方法是应用单独的交流电源为相邻的一组线圈供电。但是您不能同时给两个电路供电。取而代之的是，您对它进行计时，以使第二个交流电源在不出现时产生电磁场。因此，电动机始终通电。糟糕的是，如果两个交流支路都不错，那么三个交流支路就必须更好（三相是行业标准）。因此，现在，在任何给定时刻，三个独立的交流电源分别为一组单独的4个线圈（4个极，在罗盘上的4个相对点）供电，每个线圈彼此异相。

继续我们的ICE类比，引擎中的所有活塞的燃烧循环是否都在同一瞬间发生？否。燃烧循环交错（分阶段进行），以最大程度地提高扭矩并使发动机运转平稳。这是电动机的原理。下图说明了运行中的三相交流电。请注意，在任何时间点，都会存在电压……因此电流……因此是电磁场……因此会向转子拉力。