[2011.4.1] 尼古拉的逆袭

感应电动机

差分机：尼古拉的逆袭

Apr 1st 2011, 9:36 by N.V. | LOS ANGELES  


再一次，华盛顿那些杞人忧天的家伙正在为美国高科技产业必需的所谓“关键材料”可能会短缺而坐立不安。能源部尤其忧虑的是制造风力涡轮机、电动车辆、太阳能电池以及高效节能灯所必需的金属。这些供应存疑的金属包括一系列稀土金属以及少量的其它元素——作为微量添加成份——能提高许多工业材料的性能。

稀土元素(钪、钇和镧以及14种所谓的镧系元素）并非都像想像中那样稀有。其中一些跟镍、铜或者锌一样储量丰富。即便是其中最稀有的两种（铥和镏），其在地壳中的分布也比黄金或是铂金更为广泛。注【1】然而由于它们相似的化学特性，以及易于跟在岩层中的放射性钍和铀结合在一起，对它们进行萃取及精炼可能是艰难，昂贵和麻烦的。而最为头痛的要数对有害废料的处理。

十年前，美国是世界头号稀土金属生产国。但其位于加利福尼亚州的大型露天矿场芒廷帕斯矿在2002年被关停——成为中国廉价劳动力成本和美国日益严厉的环境保护条例（并因此拖延了对该矿运作执照的重新审批）的牺牲品。现在，中国生产全球稀土金属总供应量的97%——这是位于内蒙古的国有大型铁矿开采所带来的副产品。去年，中国官方大大降低了稀土的出口，因为中国自身的高科技产业吸收了更多的产能（请看2010年9月17日发表的“比金子更珍稀”）。

能源部格外看重的稀土元素似乎是钕。其被广泛用于制造超强永磁体。去年，由于使用永磁体代替电磁线圈转子的电动马达和发电机数量激增，钕的价格也增长了三倍。更廉价，更小型以及更大功率的永磁体设备已经成为风力涡轮机和电动车辆日益普及的一个主要因素。

即是说，并非所有的电动车辆生产商都义无反顾地投入到永磁体发动机的怀抱。例如，以莲花爱丽丝（Lotus Elise）为原型的电动泰斯拉跑车（Tesla Roadster）其全身上下都没有使用稀土元素。而宝马（BMW）上世纪六十年代经典车型的重制电动版Mini-E也是如此。与此同时，引领当今电动车辆专业技术潮流位于加利福尼亚州圣迪玛斯的AC Propulsion公司已经对永磁技术作出明确表态。最近，德国的汽车部件生产商Continental AG为即将推出的欧洲电动车开发的一款电动发动机也同样没有使用稀土元素。很明显，越来越多的汽车企业认为依赖单一（并且不那么值得信赖）的稀土金属原材的风险太大了。

最近谋求弃用稀土元素的汽车生产商是日本丰田汽车公司（Toyota）。这个全球最大的汽车生产商正在为拓展混合动力型汽车的市场份额而开发无钕电动发动机。紧跟AC Propulsion公司的脚步，丰田公司的新设计也是基于工业电力驱动最重要的基础：早在1888年由美国发明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）注【2】发明的廉价而简陋的交流感应电动机的专利技术。其主绕组固定在静止的铁模中（定子）而次级导体被镶在里面的轴承上（转子）。定子包在转子外面，但与转子没有接触，转子可以绕其轴自由旋转。交流电通过定子线圈创造旋转磁场，导致镶在转子上的独立导体同时产生感应电流。由于现在有交流电流在转子中流通，转子也产生了自身的旋转磁场，其随即开始追赶定子的旋转磁场——这一过程使转子旋转起来，从而产生扭矩（输出动力）。

现代的感应电动机通常具有三组（或者更多）的定子绕组，每组各自使用不同相位的交流电来驱动。由于每次旋转过程转子都有三“波”感生磁场，而不是只有一“波”，其感应过程更平滑而使其能够产生更大的扭矩。

这样的设备被称为异步电动机，因为转子的磁场总是滞后于定子的磁场。这明显有别于使用永磁体而不是使用一组铝或铜的导体作为定子的同步电动机。至于同步电动机，其定子的旋转磁场直接对转子的永磁材料所产生的固定磁场施加一个电磁扭矩，促使转子磁力装置绕其轴与定子磁场同步旋转。因而得名。

过去，异步感应电动机的主要缺陷是难于变速。得益于现代半异体控制技术，这不再是一个问题。与此同时，谈到感应电动机的重大优势——部分是由于其简单和可靠——总是要提到其能适应很大范围温度的能力。为了给丰田普锐斯（Toyota Prius）的永磁发动机提供充分的冷却导致该车的重量显著增加了。相对而言，一台感应发动机能够被动冷却——因而能去掉粗重的散热器，冷却风扇，水泵以及配套的管道。

更值得一提的是，由于能忍受足于使永磁发动机宕机的温度，感应电动机能表现出（尽管是在短时间内）更优越的性能——比如说，超车时的猛烈提速，或者是攀爬陡峭的山坡。混合动力车诸如丰田普锐斯或者雪佛兰伏特(Chevrolet volt)不得不使用它们的汽油引擎以获得额外动力。纯电力驱动车诸如日产聆风(Nissan Leaf)依靠齿轮箱（变速箱）为费力的任务提供额外扭矩。相形之下，泰斯拉跑车仅仅使用单个齿轮——这要归功于它的三相感应发动机。

到目前为止，丰田仍然对它的无钕电动发动-发电机保持碱默。应用在丰田普锐斯的现有版本的设计（该车确实有两个这样的部件，一个用于提供推力和刹车充电，而另一个用于驱动车上所有的电子配件）是导体跟永磁体的组合转心。在平整的道路上，该部件更像永磁发动机那样工作。而在崎岖的道路上，则主要表现为感应发动机的特性。

如果转而考虑纯感应发动机的设计，丰田可能表现得远差于泰斯拉汽车的公司手册中所描述的。以其52公斤（115磅）的重量，泰斯拉跑车的微型三相感应发动机不比西瓜大多少。然而它提供了强劲的288匹瞬时马力。更令人印象深刻的是，该发动机每秒400牛顿（295磅-英尺）的扭矩可提供从静止到每分钟近6000转的转速。由于具备如此宽广的扭矩输出范围使其无需在传动装置中使用两档或三档的变速箱。从而得到一个轻巧、紧凑以及非常有效率的强劲部件。

总而言之，据称泰斯拉跑车的电池—车轮转换效率为88%——四倍于传统汽车。基于尼古拉·特斯拉的强劲而可靠的感应发动机如此强势的回归，令人困惑的是，为什么人们要担心应用于替代能源和交通领域的钕以及其他稀土元素可能发生的短缺呢。注【3】



注【1】：

“稀土”中的“土”字实际上指的是氧化物。这些元素被发现时人们以为它们在地球上分布非常稀少。实际上它们在地壳内的含量相当高，最高的铈是地壳中第25丰富的元素，比铅还要高。而最低的“稀土金属”镥在地壳中的含量比金甚至还要高出200倍。因此，国际纯粹与应用化学联合会现在已经废弃了“稀土金属”这个称呼。

来源：维基百科 http://zh.wikipedia.org/wiki/稀土金属

注【2】：

      尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856年－1943年），1856年7月10日出生，是世界知名的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师。塞尔维亚血统的他出生在克罗地亚(后并入奥地利帝国)。特斯拉被认为是历史上一位重要的发明家。他在19世纪末和20世纪初对电和磁性做出了杰出贡献。他的专利和理论工作形式依据现代交变电流电力(AC)的系统，包括多相电力分配系统和AC马达，帮助了他带起第二次工业革命。

评价
      “科学界普遍认为，人类有史以来的两个旷世奇才，一个是列奥纳多·达·芬奇（Leonardo Di Ser Piero Da Vinci），另一个就是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）.”


成就
　　在美国，特斯拉在历史上或通俗文化上的名声可以媲美任何其他的发明家或科学家。1893年他展示了无线通讯并成为了电流之战的赢家之后，就成为了美国最伟大的电子工程师之一而备受尊敬。许多他早期的成果变成现代电子工程的先驱，而且他的许多发现极具开创性和重要性。在公元1943年，美国最高法院承认他为无线电的发明者。

　　在使用电的现代世界上到处都可以看见特斯拉的遗产。撇开他在电磁学和工程上的成就，特斯拉也被认为对机器人、弹道学、资讯科学、核子物理学和理论物理学上等各种领域有贡献。特斯拉晚年被视为一个疯狂科学家并由于宣称可以创造怪异的科学发明而被注意。许多他的成就已伴随着一些争议被应用，去支持着许多的伪科学，如幽浮理论和新世纪神秘理论。特斯拉当代的钦佩者视他为“创造出二十世纪的人”。

　　他是一个被世界遗忘的伟人。交流发电机就是他发明的，而爱迪生钟爱自己发明的直流发电机，极力打压Tesla。如果Tesla不是自愿放弃了交流电的专利权供世人免费使用（每马力$2.53），那他会是世界上最富有的人。他的梦想就是给世界提供用之不竭的能源。特斯拉从不在意他的财务状况，于穷困且被遗忘的情况下病逝，享年86岁。虽然他是一个绝世天才，但是很遗憾没有多少人记得他。

来源：百度百科 http://baike.baidu.com/view/966246.htm


注【3】：

必须指出的是稀土并不仅仅是应用于替代能源和交通领域，而是被广泛应用于国防工业、冶金、机械、石油、化工、玻璃、陶瓷、纺织、皮革、农牧养殖等各传统方面领域。