永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)到底有什么不同？一文告訴你

電機(jī)這個東西相信大家都不陌生，回憶一下高中物理上的直流有刷電機(jī)，原理千百年來都是一樣的， 一個永磁體（磁鐵）作為定子，一個線圈作為轉(zhuǎn)子，通電后產(chǎn)生磁場，根據(jù)“同性相斥，異性相吸”的原理，他會繞著定子轉(zhuǎn)動。

但是吧，轉(zhuǎn)了180度之后，你會發(fā)現(xiàn)定子的N極挨著轉(zhuǎn)子的S極了，它們兩個開始相吸，不轉(zhuǎn)了咋整？所以這時(shí)候需要改變一下通過轉(zhuǎn)子的電流方向，但是你是不能改變電源的電流方向的，所以這時(shí)候需要換向器和電刷出馬了。

電刷的主要作用是傳導(dǎo)電流，它的正負(fù)極則與電池的正負(fù)極相連，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過180度，電刷與換向器的連接發(fā)生轉(zhuǎn)向，線圈原本的正極變成負(fù)極、負(fù)極變成正極，以此交替循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電磁力推動轉(zhuǎn)子線圈持續(xù)旋轉(zhuǎn)。不過因?yàn)殡娝⒁恢痹趽Q向器上刷來刷去，勢必產(chǎn)生磨損，運(yùn)氣不好還會產(chǎn)生火花。

前面說了電刷會磨損甚至起火花，所以現(xiàn)在大多數(shù)汽車用的都是無刷電機(jī)，我們本次討論的永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)都是無刷電機(jī)，下面終于進(jìn)入正題，給大家講講這兩者的區(qū)別：

同步和異步指的是什么？

指的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場的速度是否一樣。要完全理解這個問題，我們需要理解這兩種電機(jī)的原理。

我們先看永磁同步電機(jī)：

需要注意的是，永磁同步電機(jī)和我們上面舉例用的課本上的電機(jī)不一樣，它的線圈是作為定子，永磁體是充當(dāng)轉(zhuǎn)子的，跟課本上的正好相反。

先說這個永磁體，現(xiàn)在多數(shù)是用釹鐵硼材料制作，這種材料被稱為“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。而獲得這種材料需要一種稀有物品——稀土。

這里稍微科普一下，稀土家族是來自鑭系的15個元素，加上與鑭系相關(guān)密切的鈧和釔共17種元素的集合體，中國的稀土儲量最多時(shí)占世界的71.1%，目前占比在23%以下，中國還在過去幾年承擔(dān)了稀土輸出的角色，邦老師的老家就很擅長處理稀土，甚至大學(xué)還開設(shè)專門的稀土學(xué)院。

▲ 釹鐵硼永磁體

這里廢話這么多的原因就是想告訴大家稀土很貴很稀有，所以導(dǎo)致永磁體很貴，永磁直流電機(jī)也很貴……

好吧稍微有點(diǎn)跑題了，我們接著討論永磁同步電機(jī)。因?yàn)闆]有電刷，所以換向必須采用“電子”的方式，下面是永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖：

外圈灰色是固定在車身上的定子殼體，上面間隔繞制著紅、綠、藍(lán)三組六匝線圈，對角線為相同組。而中間白色輪轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子，連接著輸出軸到輪胎。

假設(shè)我們先給綠色線圈通電，那么它將產(chǎn)生類似條形磁鐵的磁場。而如果給三組線圈都通電，三組線圈的磁場就相當(dāng)于三根條形磁鐵成“米”字型放在定子內(nèi)部，就會產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)的磁場，這時(shí)候轉(zhuǎn)子就會受到定子產(chǎn)生的磁力而轉(zhuǎn)動。

注意，上面這個圖里的條形磁鐵只是為了幫助大家理解通電線圈的磁場方向，并不是電機(jī)里放置了一個磁鐵！

在這種情況下，通電線圈發(fā)生變化后，轉(zhuǎn)子能夠馬上受力，也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場的速一樣，所以叫同步電機(jī)。

另外這里的轉(zhuǎn)子也不是單純的一個磁鐵，如果這樣的話，會因?yàn)榇艠O方向單一導(dǎo)致受力不均勻，所以它一般是將更多個磁鐵放在定子上組成定子磁組，這樣就形成了一個SN極間隔的永磁轉(zhuǎn)子。

這樣磁場中的轉(zhuǎn)子由于任意方向都有磁鐵受力，因此這就使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)起來。當(dāng)然線圈的通斷電是由轉(zhuǎn)子位置傳感器和開關(guān)控制的，它們?nèi)齻€的通斷也不是簡單的“你通我斷”，而是一個比較復(fù)雜的通斷規(guī)則，這里就不細(xì)講了。

接下來我們講交流異步電機(jī)：

交流異步電機(jī)的定子由鐵芯、繞組與機(jī)座組成，轉(zhuǎn)子則是由鐵芯和繞組組成，轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式和線繞式，長這樣：

可以看到，交流異步電機(jī)沒有永磁體，它的轉(zhuǎn)子和定子都是靠通電才能產(chǎn)生磁場的。

由于使用的是三相交流電，所以，線圈在定子內(nèi)每120度為一個單元，共三個單元，相互對稱排列。三個獨(dú)立繞組組合在一起形成一個360度的圓柱形定子。

因?yàn)榻涣麟姷念l率和方向是不斷變化的，所以假設(shè)我們給A繞組通入交流電，那么它會產(chǎn)生一個方向和大小都不斷變化的磁場，對于另外兩個繞組來說也是這樣，類似下面這個圖：

本圖只示意三個繞組會產(chǎn)生大小方向變化的磁場，并不表示真實(shí)的大小和方向關(guān)系！

這時(shí)候我們需要一些矢量合成的知識，這三個有大小、有方向的磁場組合起來，形成了一個大小、方向不斷變化的磁場。然后我們把通電的順序調(diào)一下：A相先通電，等A相交流電電壓波形擺了三分之一周期再給B相通電，等B相電壓又?jǐn)[了三分之一周期給C相通電。

這時(shí)候合成的磁場變成了這樣：大小固定，方向變化規(guī)律。

你可以簡單理解成這樣~

行了，有了這個磁場，轉(zhuǎn)子終于能愉快的轉(zhuǎn)動了~但是由于交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是鼠籠式，它會在定子產(chǎn)生的磁場中做初中物理我們熟悉的“導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動”，產(chǎn)生了感應(yīng)電流。

這個電流在旋轉(zhuǎn)的磁場中又受到安培力的作用，使導(dǎo)體轉(zhuǎn)動，這兩個轉(zhuǎn)動的疊加導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場的速度不一樣，也就是“異步”的意思。具體可以看下面的圖：

同步/異步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)？

還是先聊同步電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，在同樣的重量和體積下，永磁同步電機(jī)能輸出更高的功率和扭矩。同理，在相同的功率和扭矩情況下，它的重量和體積小，為另一個極為重要的部件動力電池留出足夠的空間和質(zhì)量。此外，永磁同步電機(jī)還擁有噪音較小的特點(diǎn)。

至于缺點(diǎn)，前面我說過，永磁體依賴稀土，如果想要大的功率，就要大塊的永磁體，造價(jià)高；而且雖然叫“永磁”，但它在高溫之類的惡劣環(huán)境下容易退磁。

至于異步電機(jī)，成本十分低廉，工藝簡單、運(yùn)行可靠、維修方便等特點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中工作，也對周圍工作溫度的大幅度變化有比較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

但在同樣的功率和扭矩下，異步電機(jī)所需要的體積和重量要遠(yuǎn)大于永磁同步電機(jī)。

特斯拉為啥喜歡用異步電機(jī)？

其實(shí)不光是特斯拉，很多歐洲品牌的電動車都喜歡用異步電機(jī)，比如寶馬i3，但中國和日本品牌卻不是這樣，對于永磁同步電機(jī)還是愛的深沉的。

至于特斯拉等國外品牌放棄優(yōu)勢明顯的同步電機(jī)的原因，目前有幾種推論：

一是異步電機(jī)更能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，而特斯拉這種定位較高的車型可能會比家用車更多的經(jīng)歷激烈駕駛等狀況，那么異步電機(jī)不易退磁的特性就非常它們契合了。

第二個是永磁同步電機(jī)的核心材料稀土的問題，對于我國和日本而言，我國擁有不錯的稀土資源，，日本則是稀土產(chǎn)業(yè)的大國，世界銷量前三的釹鐵硼公司：住友特殊金屬公司、新越化學(xué)實(shí)業(yè)公司和TDK集團(tuán)都是日本公司，實(shí)力可見一斑。歐美國家可能就無法隨心所欲的使用稀土材料了。

第三是特斯拉在異步電機(jī)上有自己的專利，規(guī)避了異步電機(jī)的缺點(diǎn)，比如銅芯轉(zhuǎn)子的技術(shù)，下面簡單給大家介紹一下：

目前大多數(shù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，就是那個鼠籠，的材料是鋁，鋁有著較好的電導(dǎo)率和較低的熔點(diǎn)（660.4℃）成本也有優(yōu)勢，但是它的效率有限，難以更進(jìn)一步，如果使用電導(dǎo)率更高的銅來制作鼠籠，電機(jī)的效率將會顯著提升。

但是銅的熔點(diǎn)高（1083℃），銅芯轉(zhuǎn)子難以制造；并且焊接銅的成本也很高，對焊點(diǎn)強(qiáng)度的要求也很高。

▲ 不同金屬電阻率

Tesla的專利Rotor Design for An Electric Motor，采用了焊接銅工藝，先是與焊接鼠籠技術(shù)方案相同，將銅條插入了轉(zhuǎn)子槽中，之后本來應(yīng)該焊接端環(huán)，但特斯拉制造了一組表面鍍銀的銅質(zhì)楔子，將這些楔子插入了銅條端部的間隙之中，插完楔子之后，在楔子和銅條之間進(jìn)行焊接，這個焊接要求的成本、難度都比較低。焊接完成后，再把端環(huán)插進(jìn)去。

實(shí)物長這樣：

好的，我們來總結(jié)一下本文：

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