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感应永磁电机两兄弟为何国内车企偏爱永磁电动

发布时间: 2019-06-11

  我们生活中大小家电中都有电动机的存在,电动机是工业必不可少的机器,由于人们平常接触的电动机比较多,所以对于电动机的研究要比发电机多得多,对电动机分类也详细的多。大体上电机可以按照按工作电源、结构及工作原理、起动与运行方式的不同以及用途的不同来分类。其中适合于新能源汽车的驱动的电机主要有永磁同步电机、感应电机和开关磁阻电机三大类。在此,我们先用一张图来概括一下按结构及工作原理方法归类的电机。

  感应电机就是咱们经常说的交流异步电动机,它是一种由定子绕组之后形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场互相发生物理作用之后产生电磁转矩驱动带动子旋转的一种电动机类型。而永磁电机主要是指永磁同步电动机。

  首先,感应电动机中由于转子总是在“追赶”定子旋转磁场的转速,并且为了能够切割磁感应线而产生感应电流,转子的转速总要比定子旋转磁场的转速慢一点点,也就是异步运行,所以才将这种产生感应电流的电动机称为交流异步电动机。正是因为异步,所以产生了转差,转差使转子上的导体产生电流,从而在磁场中受力转动。也是因为这个原因,其控制起来会稍复杂一些。但是感应电机就是由线圈和转子铁芯组成,所以价格便宜,过载能力强,皮实耐用的同时性能卓越。

  谈及永磁同步电动机,字面上可能更好理解,所谓永磁,是指在制造电机转子时加入永磁体,使电机的性能得到进一步的提升。此前磁铁性能不好,但是“万磁王”高磁性能钕铁硼在控制算法下的稳定性能和广泛应用,增加了永磁体的可靠性与稳定性,可以较好地减少退磁现象的发生。而所谓同步,则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。

  如果转子绕组中的电流不是由定子旋转磁场感应的,而是自己产生的,则转子磁场与定子旋转磁场无关,而且其磁极方向是固定的,那么根据同性相斥、异性相吸的原理,定子的旋转磁场就会拉动转子旋转,并且使转子磁场及转子与定子旋转磁场“同步”旋转。这就是同步电动机的工作原理。毫无疑问,同步自然控制起来更方便一点。

  为了能让大家更加简洁明了 get 到这两种电动机各自的特点,我们汇总了相关知识点制成表格供您参考。用最概括的说法来描述便是,感应电机会更加适用于高性能高速的工况,而永磁同步电机则更适用于频繁启停的工况。

  如果比较关注国内新能源汽车的小伙伴们可能会有这么一个印象,就是欧美比较喜欢使用感应电机,而国内的大多数厂家喜欢采用永磁同步电机。来自大洋彼岸的特斯拉 Model S 与 Model X 就是最好的例子,但国内的蔚来 ES8 与江铃 E200S 这两款车同样搭载感应(交流异步)电机,除此之外,很难觅得感应电机阵营的车型了。例如比亚迪秦 EV、宋 EV、吉利帝豪 EV、荣威 ERX5、宝马 i3 等大部分纯电动车都是搭载永磁同步电机。

  结合上面的表格,永磁同步电机目前占据大半壁江山的原因似乎很简单,在大体相同的技术水平下,永磁同步电机除了弱磁控制以外,无论转矩密度、功率密度还是效率都比感应电机表现要好,从而可以提高能源效率,增加续航里程,这无疑直击当下纯电动车的最大痛点。同时,永磁同步电机在瞬态仍然可以保证 95% 左右较高效率,加上体积小,重量轻,因此适用于频繁起停的工况以及较小的乘用车布置空间。此外,永磁电机不需要感应电机那般的高效和复杂的冷却系统,这有利于整车的设计制造。

  而且既然现在以市场导向为主,国内许多品牌之间的电机其实是没有区别的,除了特斯拉、比亚迪、荣威拥有自己的电机,其它厂家暂时都是选择供应商提供的电机,所以再渠道方面是比较单一的。

  此外,除了上述技术市场的部分因素,还有一大原因不容忽视,上文提到的永磁同步电机所需要的钕铁硼等永磁材料是重要的稀土资源,对于稀土资源缺少或稀土工业不发达的国家而言,这就非常尴尬了,我们知道,车用动力电机的技术资源是与是一个国家的核心竞争力,相关周边均不轻易外传。我国拥有全球 70% 的稀土资源,钕铁硼磁性材料的总产量达到全球的 80%。由于国内稀土资源这一大优势,选择高效率的永磁同步电机似乎是水到渠成的事。而日本则是稀土产业的大国,但对于欧美车企来说若想用永磁同步电机势必要考虑进口稀土的供应保障等一系列因素。

  虽然永磁同步电机的市场所占比例很大,就是否说明感应电机不如永磁同步电机呢?答案是否定的。 从目前技术优势来看,永磁同步电动机成为主流实至名归。值得注意的是,尽管在重量和体积方面,感应(交流异步)电动机并不占优势,但其转速范围广、成本低、工艺简单、运行可靠耐用。至于重量对续航里程的影响,如果未来电池续航里程大幅增加、感应电机体积优化做得好,或许会更有底气与永磁电机在市场表现上一争高下。

  可以说当下站在纯电动车“金字塔”顶端的特斯拉 Model S 与 Model X 目前还是在使用感应电机,因为感应电机的功率更大,容易实现更快的百公里加速,在长时间大功率高温下持续运转时,同时也不会出现退磁现象。而蔚来要造高性能电动车,自然就选了和特斯拉一样的感应(交流异步)电机。

  虽然感应电机成本低,但特斯拉所考量的也不是为了省钱。值得一提的是,尼古拉·特斯拉作为电力祖师爷级别人物,发明了三相交流电(动力电)与三相交流异步电机,也就是特斯拉汽车的动力心脏的鼻祖。现在的特斯拉汽车以此命名,其实就是向这位杰出科学家致敬,特斯拉早期的产品使用感应(交流异步)电机,主要还是是为了性能,而且他们对自家的电池管理系统(BMS)有足够的自信,并且早期在海外,特斯拉掌握的永磁同步的技术还没到位,外加当时初创的技术团队比较擅长感应电机,再加上产品定位上是跑车,所以顺水推舟选择了感应电机。

  很有意思的是,特斯拉最新推出的中型车 Model 3 改用了永磁电机。因为 Model 3 底盘比 Model S 小,即便使用了能量密度更高的2170 电池,总能量依然低于 Model S,必须通过提高效率的方式才能延长续航。也正是使用了永磁同步电机,Model 3 以 75kWh 的电池容量在续航上追平了 100kWh 的 Model S 100D。到了 Model 3 ,另外,不可否认的是,因为平台结构的关系,Model 3 没有办法去安装体积较大的感应(交流异步)电机。

  总的来说,永磁同步电机对比感应电机,它们各自都具有明显的优势。不过,目前纯电动车的续航里程势必是一项及其重要的指标,永磁同步电机的高效率能更好地提高续航里程。而且高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进,使稀土永磁同步电机的发展进一步完善。但就现在的发展趋势看,永磁同步电机似乎前景更好。

  然而,像特斯拉在感应(交流异步)电机铜芯转子的技术上的技术突破也让此类电机在效率方面有较大优势,同时获得了低成本、高效率的双赢,再例如,随着交流调速系统的发展,目前适用于宽调速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机相媲美。

  不得不说,在技术水平快速迭代的当下,纯电动车的动力电池技术若取得重大突破,交流异步电机也有平分天下的可能。不过正所谓长江后浪推前浪,现在广泛运用于商用车上的开关磁阻电机(SRM)是一种极具发展潜力的电机,其优缺点鲜明,但是瑕不掩瑜,如果能改善扭矩波动,从而有可能完美代替异步及永磁同步电机。

  我们现在讨论的感应(交流异步)电机与永磁同步电机之时,孰优孰劣尚无定论,它们各有所长,按需选用即可。需要明确的是,在实际电动车驱动系统设计的时候选择哪一个方案或者哪一类零部件,往往不是只因为单个零部件的优劣来做决策,而需要结合电池管理系统等因素并且上升到整车的层面来做整体系统层面的分析。这是零部件工程师和系统全局工程师共同工作成果的结晶。香港本港台香港马会开奖结果