为什么特斯拉汽车使用交流电动机代替直流电动机？

我只是在观看一个大型工厂视频，想知道为什么他们使用需要功率逆变器的交流电动机，而不是直接由直流电池供电的直流电？引进逆变器意味着更多的成本（重量，控制器等）。

有什么原因吗？交流和直流电动机之间的差异可能导致这一决定？还有人知道其他电动汽车使用哪种电动机吗？

您在询问围绕为电动汽车应用选择牵引电动机的技术折衷。描述完整的设计交易空间远远超出了此处可以合理概括的范围，但是我将概述此类应用程序的突出设计权衡。

由于可以化学方式存储（即存储在电池中）的能量非常有限，因此几乎所有电动汽车在设计时都考虑了效率。用于汽车应用的大多数运输应用牵引电机的峰值功率在60kW至300kW之间。欧姆定律表明，在布线，电动机绕组和电池互连的功率损耗为P = I ² R.因此减少了一半电流通过4X降低电阻损耗。结果，大多数汽车应用都在288至360V _nom的标称DC链路电压下运行（选择电压也有其他原因，但让我们关注损耗）。电源电压在本次讨论中很重要，因为某些电动机（如有刷直流电）由于换向器电弧而对电源电压有实际的上限。

忽略诸如开关/可变磁阻之类的更奇特的电动机技术，在汽车应用中使用的电动机主要分为三类：

有刷直流电动机：机械换向的，只需要一个简单的直流“斩波器”即可控制转矩。尽管有刷直流电动机可以具有永磁体，但用于牵引应用的磁体尺寸使其成本过高。结果，大多数直流牵引电动机是串联或并联缠绕的。在这种配置中，定子和转子上都有绕组。

无刷直流电动机（BLDC）：通过逆变器，转子上的永磁体，定子上的绕组进行电子换向。

感应电动机：通过逆变器，感应转子，定子绕组进行电子整流。

以下是关于三种电机技术之间权衡的一些粗俗概括。有很多例子可以克服这些参数。我的目标只是分享我认为这类应用程序的标称值。

-效率：有
刷直流： 电机：〜80％，直流控制器：〜94％（无源反激），NET = 75％
BLDC：〜93％，逆变器：〜97％（同步反激或磁滞控制），NET = 90％
感应：〜91％：逆变器：97％（同步反激或磁滞控制），NET = 88％

-磨损/服务：
刷子DC：易 磨损的刷子；需要定期更换。轴承。
BLDC：轴承（寿命）
归纳：轴承（寿命）

-具体成本（每千瓦成本），包括逆变器有
刷直流电： 低-电机和控制器通常很便宜
BLDC：高-大功率永磁体非常昂贵
感应：中等-逆变器会增加成本，但电机很便宜

-散热
刷直流电： 转子上的绕组使大功率电机的转子和换向器热量散发出去。
BLDC：定子上的绕组使散热变得简单。转子上的磁体具有低度的涡流感应加热效应。
感应：定子上的绕组使定子的散热变得简单。在大功率应用中，转子中的感应电流可能需要油冷却（通过轴进出，不飞溅）。

-转矩/速度行为
刷式直流电： 理论上是无限的零速转矩，转矩随速度增加而下降。有刷直流汽车应用通常需要3-4个齿轮比，以涵盖汽车在坡度和最高速度的整个范围。我驾驶24kW直流电动EV已有多年，这可能使轮胎从静止状态照亮（但努力达到65 MPH）。
BLDC：恒转矩直至基本速度，恒功率直至最大速度。汽车应用可以使用单速比齿轮箱。
感应：恒定转矩直到基本速度，恒定功率直到最大速度。汽车应用可以使用单速比齿轮箱。施加电流后可能需要数百毫秒才能产生扭矩

-其他：有
刷直流电： 在高电压下，换向器电弧可能会成问题。有刷直流电动机通常用于高尔夫球车和叉车（24V或48V）应用中，尽管由于效率提高而采用了新型型号。再生制动非常棘手，需要更复杂的速度控制器。
BLDC：磁体成本和组装挑战（磁体非常强大）使BLDC电机适用于低功率应用（如两台Prius电机/发电机）。再生制动基本上是免费的。
感应：电动机制造相对便宜，并且在过去20年中，用于汽车应用的电力电子设备的价格已大大下降。再生制动基本上是免费的。

同样，这只是一些主要的电机选择设计驱动器的顶层概述。我特意省略了特定的功率和特定的扭矩，因为它们在实际实现中往往会有更大的变化。

...以及为什么特斯拉使用感应电动机

其他答案非常好，并且可以找到技术原因。多年来一直跟踪特斯拉和电动汽车市场，我想回答您的问题，为什么特斯拉要使用感应电动机。

背景

马斯克（特斯拉（Tesla）的联合创始人）来自硅谷（SV）的思想，其中“快速行动并打破事物”是口号。当他从PayPal手中套现几亿美元后，他决定涉足（太空探索和）电动汽车领域。在SV领域，完成工作的时间/速度就是一切，因此他四处寻找可以用作开始的起点的东西。

JB Straubel是一位志同道合的工程师（无论是太空还是EV），在Musk对太空和EV产生兴趣之后不久就与Musk取得了联系。

在他们的第一次午餐会上，斯特劳贝尔提到了一家名为AC Propulsion的公司，该公司使用套件车架开发了原型电动跑车。在其第二代产品中，它最近已开始使用锂离子电池，其续航里程为250英里，提供了很大的扭矩，可以在4秒内达到0-60，但是，与本次讨论最密切相关的是， -您猜对了- 交流推进（感应电动机）。

马斯克参观了AC Propulsion，并留下深刻的印象。他花了几个月的时间说服AC Propulsion将电动汽车商业化，但当时他们对此没有兴趣。

AC Propulsion总裁汤姆·盖奇（Tom Gage）建议马斯克与另一位追求者结盟，其中包括马丁·埃伯哈德，马克·塔彭宁和伊恩·赖特。他们同意合并他们的努力，其中马斯克（Musk）担任产品设计董事长兼总负责人，埃伯哈德（Eberhard）担任首席执行官，斯特劳贝尔（Straubel）担任新公司的首席技术官，他们将其命名为“特斯拉汽车”。

答案

因此，特斯拉使用归纳法主要是因为马斯克所见的第一个可行原型就使用了它。惯性（没有双关语的意思。。。好一点）解释了其余的内容（“如果没有破裂……”）。

现在关于为什么AC Propulsion在其Tzero原型中使用它的原因，请参阅其他答案... ;-)

如果您想全文阅读，请在此处或此处。

很难说出没有加入设计团队的工程师的确切原因是什么，但是这里有一些想法：

1. 两种电机都需要类似的驱动器。有刷直流电动机可以直接依靠电池运行，但是您在电动汽车中使用的电动机类型是无刷直流电动机。感应电动机和无刷直流电动机的驱动器非常相似。通常，感应电动机的控制可能更复杂。

2. 直流无刷电动机的转子中装有磁铁。这比带有铜的感应转子更昂贵。另外，磁体市场非常不稳定。另一方面，由于I²R损耗和铁芯损耗，感应电动机的转子中会产生更多的热量。

3. 无刷电动机的起动转矩通常高于感应电动机的起动转矩。

4. 无刷的峰值效率通常高于感应电动机，但我相信我读到某处特斯拉的感应电动机的平均效率要高于无刷的平均效率。不幸的是，尽管如此，我不记得在哪里读到的。

5. 现在有很多人在研究开关磁阻机。我去过的最近几次汽车会议都是关于开关磁阻的。它们不需要磁体，这些类型的电机的效率看起来很有希望。 每个人都想摆脱电动机中的磁铁。

因此，正如我所说，我怀疑除了特斯拉的工程师以外，谁能回答您的问题。但我最大的猜测是，这可能与我的观点4）有关，但我不确定。我敢肯定，磁铁价格的波动也与此有关。

答案来自特斯拉员工自己在《感应与直流无刷电机》一文中

这部分特别值得注意：

在理想的无刷驱动器中，永磁体产生的磁场强度是可调节的。当需要最大扭矩时，特别是在低速时，磁场强度（B）应该最大-以便逆变器和电动机电流保持在尽可能最低的值。这样可以最大程度地降低I²R（电流²电阻）损耗，从而优化效率。同样，当扭矩水平较低时，应减小B磁场，以减少由于B引起的涡流和磁滞损耗。理想地，应将B调整为使涡流，磁滞和I²损耗之和最小。不幸的是，没有简单的方法可以用永久磁铁改变B。

相反，感应电机没有磁体，并且B场是“可调的”，因为B与V / f（电压对频率）成比例。这意味着在轻负载下，逆变器可以降低电压，从而减少磁损耗，并提高效率。因此，感应电机与智能逆变器相比，具有优于直流无刷电机的优势–可以交换磁损耗和传导损耗，从而优化效率。随着性能的提高，这一优势变得越来越重要。使用直流无刷时，随着机器尺寸的增加，磁损耗成比例增加，部分负载效率下降。通过感应，随着机器尺寸的增加，损耗不一定会增加。因此，在需要高性能的情况下，感应驱动可能是首选的方法。

永久磁铁价格昂贵-大约每公斤50美元。永磁（PM）转子也很难操作，因为当任何铁磁靠近它们时，它们都会发挥很大的作用力。这意味着感应电动机将可能保持优于永磁电机的成本优势。同样，由于感应电机的磁场削弱能力，逆变器的额定值和成本似乎更低，特别是对于高性能驱动器。由于旋转感应电机在去激励时几乎不产生电压，因此更易于保护。

所有旋转电动机都是交流电动机。每个人。
而且，从本质上讲，他们在做同一件事。区别在于DC如何变成AC，以及如何用于产生标准结果。

唯一以电子方式直流电的电动机是有刷电动机。旋转换向器和固定电刷将直流电转换为交流电。除了该电动机外，所有其他电动机都将需要某种形式的DC到AC转换。电刷电动机通常没有吸引力，因为机械直流转交流变换器（换向器）相对昂贵且寿命较短。

因此，对于特斯拉或其他电动汽车，选择的不是直流或交流，而是哪种形式的交流电动机最能经济高效地满足设计目标。

特斯拉将使用其所做的事情，因为它以最具成本效益的方式达到了设计目标。

反对者的投票表明，许多人都同意马库斯的观点，并认为上述答案是挑剔的。稍加思考，再看一下我的回答，可能表明对投票者的理解不足。

所有旋转电动机均为交流电动机

• 如果您认为这一点很挑剔，那么您需要更深入地思考电动汽车的总体功能。

让我们看一下下降投票者是否有胆识阅读以下内容，然后删除其下降投票者。对我自己来说并不重要。在某种程度上，您误导他人很重要。

所有旋转电动机都需要控制器以某种方式向电动机施加交流电。
交流电动机和直流电动机之间的区别在某些情况下很有用，但在封闭系统中以直流能量源开始并以旋转电动机结束的汽车中，这种区别是错误的，没有用。该车是封闭系统。系统中的某个位置有一个控制器，可将直流电以某种形式转换为交流电。它是安装在转子定子内还是转子内，在电动机壳体内，安装在壳体上还是在汽车的其他地方都无关紧要。

在有刷“ DC”电动机中，“控制器”是安装在电动机轴端的机械开关。该控制器被命名为“换向器”，但从功能上讲，它是一种采用DC并就电动机绕组而言追逐其尾部交流磁场的控制器。

永磁转子绕制定子“无刷直流电动机”在功能上与有刷直流电动机非常相似，换向器由电子开关和传感器取代，这些开关和传感器将提供的直流电应用于各个领域，以便它们可以追尾转子转动。同样，它是带有控制器的交流电动机。只要问任何绕组。传感器在电动机内部，并且开关可以在电动机附近或远处。

鼠笼式感应电动机通过利用定子磁场内部的一堆低阻抗绕组的旋转来感应转子条中的电压并产生使转子旋转的磁场，从而使其追赶旋转的交流磁场，从而增加了复杂度。应用于定子绕组。同样，它在驱动序列的任何部分都具有单向（但正弦变化）的DC。它与其他系统一样，是混合的DC和AC系统。

一个人可能不情愿地描述了可变涡流驱动电机-更多相同但不同。这是一台带有控制器的交流电动机，由直流电产生。

所作出的区分是无关紧要的。真正的问题是“特斯拉为什么要使用这种特殊形式的电动机，而不是其他某种形式的电动机”。字词表明这不仅是语义，而且缺乏理解

• ...需要电源，而不是直流电，而直流电则直接来自直流电池。引入投资商意味着更高的成本（重量，控制器等）...

机械无刷电动机是唯一不需要某种形式的逆变器或电子开关系统的“ DC”电动机。这些非常不适合轻型变速驱动器的任务，以致现代电动汽车设计中几乎没有使用。没有逆变器的所有其他类型的电动机将具有一些电子设备来代替逆变器。

我说ROTARY“电动机是交流电动机，因为可以说可以生产仅带开关直流电操作的无刷直流电动机线性电动机，尽管这样做会浪费铜和磁的效率。您可以使用旋转电动机来做到这一点，但没有现实世界批量生产中的电动机将做到这一点。

直流电动机无法匹配交流电动机的功率密度。即使是最好的磁体，在整个气隙中也能达到的最大磁场强度为2.5特斯拉。为此，需要进行认真的工程设计，尤其是如果您想要快速旋转以提高功率密度，则尤其如此。感应电机非常舒适地生产3+特斯拉，而没有所有的磁体烦恼和愚蠢的公差。他们显然没有将其作为高效的直流电机来使用，但是谁说跑车在高效的地方出风头呢？当购买一台先进的逆变器并以高转速运行时，交流感应电机的千克重量为千克，是所有机器类型中最强大的。

他们将感应电动机用于汽车的真正原因是：

1. 感应电动机便宜
2. 感应电动机不需要大量维护（无需电刷）
3. 感应电动机重量更轻
4. 现在可以使用控制感应电动机速度的新技术（可变电压，可变频率），并且易于批量生产

恕我直言，交流推进（特斯拉汽车公司）使用交流电是因为满足车辆应用的高“转向”比的机械换向直流电动机比电子换向交流电动机更为复杂。如果没有那么高的调节比，仅产生原始转矩的电动机的物理尺寸将无法实现。感应电动机而不是PM电动机不仅在财务上更稳定，而且从工程角度来看也更加稳定。磁铁会而且确实会损坏。转子中的电磁场线圈并不多，而且正如它们所显示的那样，能量密度是相似的。

我对“所有的电动机都是交流电”这一明显的共识大为反对，我的论点是基于单极移动，而不是电动机的整转。

在单极移动内，真正需要AC的唯一时间是当需要在寄生绕组中感应出电流时，例如在感应电动机的转子中。否则，仅需要换向。

观察停转的电动机可以很好地说明这一论点。只有没有PM或缠绕磁场的电动机（即感应电动机）才需要AC来产生产生电抗性的励磁电流。

所有其他电动机仅需向定子提供直流电即可在失速时产生全转矩。绕线励磁电机通常使用交流电来产生磁场，但对于直流电也可以做得很好，可能比使用交流电时具有更大的转矩。

我的PM“伺服”电机可能正在斩波DC以控制功率，但它们只是在斩波DC，而不是每次斩波都将其逆变。将机械换向器放在交流永磁伺服电机上，它将在直流电上工作。是的，效率不高，但不是因为缺少正弦波形。如果没有机械刷头，它的最高速度也会受到限制。

花一些时间考虑双绕电动机（显然是“仅限交流”电动机）的失速特性，当它提供直流电时，也许您将能够理解我的论点。仅当您除了要拉动每个极杆时，还必须提供交流电，否则，即使电源是交流电，也只需要直流电，经常需要使用直流电。

石板

所有：有刷电机的最大电压可能限制为48V，以避免产生电弧。相比之下，无刷电机可以轻松地使用240V电池运行，并且通过位于电池和电机之间的DC升压转换器将电压升至480V或更高。具有如此高的电压，类似于当今大多数混合动力或插电式汽车所使用的电压，相对于传输的总功率，速度控制的损失得以最小化，从而提高了效率。

实际上，特斯拉使用同步电动机，该电动机同时使用交流电和直流电。如果电动机仅使用交流电，则它将是异步感应电动机，由于在转子中感应出电压时电磁场会发生滑移，因此异步电动机会在车辆中使用（输出速度比电动机的旋转速度慢）。公式：每分钟转数=频率* 60 /每相极对-滑移率）。

在同步电动机中，具有交流放大的定子线圈（类似于常规感应电动机），但也具有直流放大的转子（与感应电动机不同）。通过这样做，输出速度可以达到理论上的最大速度（同步速度），这使得可预测且有效的电动机可以在车辆中使用。（公式：每分钟转数=频率* 60 /每相极对数）。

然后，特斯拉可以对此进行分解，并使用ESC（电子速度控制器）。ESC是一种电路板，可以将电池的直流电转换成交流电，将方波转换为正弦波，根据油门踏板的信号改变频率和幅度，然后发送处理后的功率定子。它还会根据与定子的交流电来改变对转子的直流电的幅度。