【Autosport技术专栏】F1的电机有什么独到之处？

上个月，我们研究了F1的电池，不同于我们今天要研究的东西，有许多不同类型的设备符合电池这个通用术语。本月，我们将对混合动力系统的其他主要组件进行类似的研究：那就是电机，我们将其称为赛车上的电动发电机组或 MGU。

电机是将电能转换为机械能的装置，这是一个可逆过程。因此，如果换一下驱动设定，电机也可以将机械能转化为电能，就像发电机一样，因此得名MGU。电机由许多部件组成，但主要部件是中心的转子（旋转并提供运动）和围绕转子且不运动的定子。

我们知道电池以直流电的形式存储电能。电池的两极是正极和负极，因此人们可能会认为与电池一起使用的电机的逻辑类型是直流或直流电机。多年来，情况一直如此。在20世纪的大部分时间里，英国是拥有世界上电动汽车数量最多的国家，因为每天早上都有大量电动城市送货车向各家各户运送牛奶。其中大多数使用拼装在一起的铅酸电池来提供60伏电压并驱动直流电机。

直流电机虽然易于控制，但需要经常维护，因为电流是通过弹簧上的碳刷传递到转子的，而碳刷需要经常更换。

所有的现代电动汽车都使用交流 (AC) 电机，但即使在这个通用名称中也包含了许多种不同的电机。交流电机家族中结构最简单的是感应电机。在感应电动机中，转子由导电棒排列组合而成，定子则具有铜线绕组，交流电通过铜线绕组，产生磁力。

感应电机使用被称为IGBT的固态开关以高频切换电流。这种开关动作导致了磁场的旋转，因此转子中的感应电流产生旋转力或扭矩。这种电机用在特斯拉Model S的前轴上，优点是不需要其他电机中的稀土磁铁，但其效率与更常见的电机很难相比。

大多数车辆，包括特斯拉Model S的后部以及大多数其他车辆，都使用被称为永磁同步电机 (PMSM) 的电机。这种类型的电机还在所有赛车运动中应用，包括当前一级方程式混合动力装置上的MGU装置。

这种电机的效率高于感应电机，但需要在转子中嵌入磁铁。磁铁的效率非常高，通常由稀土材料钕金属制成。稀土这一术语有些误导性，因为稀土磁体所用的各种材料在地壳中含量相对丰富，但与铜和锌等其他元素混合在一起，因此开采难度很大，提炼更加困难，这意味着供应来源很少。到目前为止，最大的稀土出口国是中国，其产量几乎是第二大生产国美国的四倍。

磁铁需要嵌入转子表面附近，这也是一个技术难题，因为转子以非常高的速度旋转，MGU-H的转子转速125000rpm，离心力不断试图将磁铁甩出。所以磁铁通常由碳纤维套筒固定，用碳纤维套筒将转子包裹起来。

永磁同步电机还需要更复杂的控制系统，需要对转子进行冷却，以保持磁体的温度，从而保持其磁性。但事实上，这种电机的能量损失比感应电机小得多。他们之间可能只存在约2%的效率差异，但足以使PMSM在车辆中几乎得到普及。

逆变器将蓄电池储存的直流电转换为电机所需的交流电。在车辆中，它还需要充当电机的速度控制器。

电机的控制方面主要是控制定子线圈中的电流以产生旋转磁场。这与转子上永久磁铁的磁场相互作用，产生转矩。这是由逆变器完成的，在如今的F1混动系统中，逆变器是一种碳化硅开关设备，它比老式的纯硅设备速度更快，效率更高。

逆变器将蓄电池储存的直流电转换为电机所需的交流电。在汽车中，它还需要充当电机的速度控制器，并通过改变交流电输出的频率来实现这一功能。

这将改变定子磁场的转速，从而改变其与转子磁铁的相互作用速度。因此，转子以定子中电流的速度或频率旋转，这就是为什么这种类型的电机被称为同步电机。逆变器还可以改变交流电的幅值，从而控制电机的转矩。

电机也可以设定为径向磁通或轴向磁通。径向磁通电机的直径更小，但轴向磁通电机呈圆饼状，在许多车辆中越来越受欢迎，因为它们非常适合在轮毂内安装或安装在发动机和变速箱之间。

因此，正如电池的情况一样，我们已经了解了电动机的通用描述，其中涵盖了多种不同的设计和基本原理，每种设计和原理都有其优缺点。最终，就像一级方程式赛车中的所有东西一样，最高效者胜出。