永磁同步電機(jī)為什么能成為主流？

為什么永磁同步電機(jī)成為主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)？

電動(dòng)機(jī)可以使電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將機(jī)械類傳遞到車輪驅(qū)動(dòng)汽車行駛，是新能源汽車核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之一。目前新能源汽車常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要是永磁同步電機(jī)及交流異步電機(jī)兩類，大多數(shù)新能源汽車采用的是永磁同步電機(jī)，代表車企包括比亞迪、理想汽車等，部分車輛采用了交流異步電機(jī)，代表車企有特斯拉、奔馳等。? ?

常用電機(jī)中適用于電力驅(qū)動(dòng)的電機(jī)分類

異步電動(dòng)機(jī)主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，當(dāng)定子繞組接通交流電源時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)并輸出動(dòng)力。其主要原理是定子繞組通電（交流電）后會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子繞組是一個(gè)閉合導(dǎo)體，在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中不停切割定子的磁感應(yīng)線。根據(jù)法拉第定律，閉合導(dǎo)體切割磁感線會(huì)產(chǎn)生電流，而電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，此時(shí)就有了兩個(gè)電磁場(chǎng)：一個(gè)是接通外部交流電的定子電磁場(chǎng)，另外一個(gè)是切割定子電磁感應(yīng)線產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)。而根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流總要反抗引起感應(yīng)電流的原因，也就是盡力使轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體不再切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線，這樣的結(jié)果就是：轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體會(huì)“追趕”定子的旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，也就是使轉(zhuǎn)子追著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)跑，最終使電動(dòng)機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，在過(guò)程中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度（n2）和定子旋轉(zhuǎn)速度（n1）轉(zhuǎn)速不同步（轉(zhuǎn)速差 2-6%左右），因此稱之為異步交流電機(jī)，反之如果轉(zhuǎn)速相同，則稱之為同步電機(jī)。 ?

上圖左：?jiǎn)蜗喈惒诫姍C(jī)構(gòu)造示意圖

上圖右：異步電機(jī)工作原理示意圖

永磁同步電機(jī)也屬于交流電機(jī)一種，其轉(zhuǎn)子由具有永久磁體的鋼制成，電機(jī)工作時(shí)給定子通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，“同步”的意思是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度同步。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較高的功率質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)已成為現(xiàn)今電動(dòng)汽車應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。但永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，有可能降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能。另外，稀土式永磁同步電動(dòng)機(jī)要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)定。 ?

上圖左：永磁同步電機(jī)構(gòu)造示意圖

上圖右：奧迪汽車永磁同步電機(jī)構(gòu)造圖

與永磁同步電機(jī)相比，異步電機(jī)工作時(shí)需要吸收電能勵(lì)磁，這部分會(huì)損耗電能，使得電機(jī)的效率降低，而永磁電機(jī)由于加入永磁體，成本較高。

選擇交流異步電機(jī)的車型會(huì)傾向于性能優(yōu)先，利用交流異步電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下的性能輸出和效率優(yōu)勢(shì)，代表車型就是早期的 Model S。主要特點(diǎn)：當(dāng)汽車處于高速行駛時(shí)，能夠保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)和高效的電能使用效率，在保持最大動(dòng)力輸出的同時(shí)，減少能耗；

選擇永磁同步電機(jī)的車型則傾向于能耗優(yōu)先，利用永磁同步電機(jī)在低速階段的性能輸出和高效運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于中小型車。特點(diǎn)就是體積小、重量輕，可以增加續(xù)航。同時(shí)它調(diào)速性能好，在面對(duì)反復(fù)啟停、加減速時(shí)，能保持較高效率。

異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)

永磁同步電機(jī)占主導(dǎo)地位。高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）依據(jù)發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈月度數(shù)據(jù)庫(kù)》統(tǒng)計(jì)顯示，2022 年 1-8 月份國(guó)內(nèi)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝機(jī)約 347.8 萬(wàn)套，同比增長(zhǎng) 101%。其中，永磁同步電機(jī)裝機(jī) 332.9 萬(wàn)套，同比增長(zhǎng) 106%；交流異步電機(jī)裝機(jī) 129.5 萬(wàn)套，同比增長(zhǎng) 22%。

永磁同步電機(jī)成為純電動(dòng)乘用車市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

從國(guó)內(nèi)外主流車型電機(jī)選擇來(lái)看，國(guó)內(nèi)的上海汽車、吉利汽車、廣州汽車、北京汽車、騰勢(shì)汽車等推出的新能源汽車均使用永磁同步電機(jī)。國(guó)內(nèi)主要使用永磁同步電機(jī)，一是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)低速性能好、轉(zhuǎn)化效率高，非常適合城市交通頻繁啟停的復(fù)雜工況，二來(lái)是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)中的釹鐵硼永磁材料需要使用稀土資源，而我國(guó)擁有全球 70%的稀土資源，釹鐵硼磁性材料的總產(chǎn)量達(dá)到全球的 80%，所以中國(guó)更熱衷于使用永磁同步電機(jī)。

國(guó)外的特斯拉和寶馬則是永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)協(xié)同發(fā)展。從應(yīng)用結(jié)構(gòu)來(lái)看，永磁同步電機(jī)是新能源汽車的主流選擇。

國(guó)內(nèi)外部分新能源汽車電機(jī)類型

永磁同步電機(jī)成本中，永磁材料成本約 30%。永磁同步電機(jī)的制造原材料主要有釹鐵硼、硅鋼片、銅和鋁等，其中永磁材料釹鐵硼主要用于制造轉(zhuǎn)子永磁體，成本構(gòu)成在 30%左右；硅鋼片主要用于制作定轉(zhuǎn)子鐵芯，成本構(gòu)成在 20%左右；定子繞組成本構(gòu)成在 15%左右；電機(jī)軸成本構(gòu)成在 5%左右；電機(jī)殼成本構(gòu)成在 15%左右。

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)成本分析

為什么永磁電機(jī)的效率會(huì)更高？ ? ?

永磁同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和殼體部件構(gòu)成。與普通交流電機(jī)一樣，定子鐵芯為疊片結(jié)構(gòu)，以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)因渦流和磁滯效應(yīng)鐵耗；繞組通常也為三相對(duì)稱結(jié)構(gòu)，只是參數(shù)選取有較大區(qū)別。轉(zhuǎn)子部分則形式多樣，有帶啟動(dòng)鼠籠的永磁轉(zhuǎn)子，也有內(nèi)嵌式或表貼式純永磁轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子鐵芯可以制成實(shí)心結(jié)構(gòu)，也可以疊片而成。轉(zhuǎn)子上裝有永磁體材料，大家習(xí)慣上稱之為磁鋼。

永磁電機(jī)正常工作下，轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)處于同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子部分沒(méi)有感應(yīng)電流，無(wú)轉(zhuǎn)子銅耗和磁滯、渦流損耗，不需要考慮轉(zhuǎn)子損耗發(fā)熱問(wèn)題。一般永磁電機(jī)為專用變頻器供電，天然具有軟啟動(dòng)功能。另外，永磁電機(jī)屬于同步電機(jī)，具有同步電機(jī)通過(guò)勵(lì)磁強(qiáng)弱調(diào)節(jié)功率因數(shù)的特點(diǎn)，因而功率因數(shù)可以設(shè)計(jì)到規(guī)定數(shù)值。

從起動(dòng)角度分析，緣于永磁電機(jī)由變頻電源或配套變頻器起動(dòng)的實(shí)際，永磁電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)很容易；與變頻電機(jī)的起動(dòng)相似，規(guī)避了普通籠型異步電機(jī)的起動(dòng)缺陷。?

總之，永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)可以達(dá)到很高，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，近十幾年來(lái)市場(chǎng)十分火爆。

但是，失磁故障是永磁電機(jī)不可回避的問(wèn)題，當(dāng)電流過(guò)大或溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度瞬間不斷攀升、電流急劇增大，永磁體迅速失磁。在永磁電機(jī)控制中，設(shè)定了過(guò)電流保護(hù)裝置，避免了電機(jī)定子繞組被燒毀的問(wèn)題，但由此而導(dǎo)致的失磁和設(shè)備停運(yùn)不可避免。

相對(duì)于其他電機(jī)，永磁電機(jī)在市場(chǎng)上的應(yīng)用還不是很普及，無(wú)論對(duì)于電機(jī)制造者還是使用者，都有一些未知的技術(shù)盲區(qū)，特別是涉及到與變頻器的匹配問(wèn)題，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不符，必須反復(fù)驗(yàn)證。

編輯：黃飛

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