永磁同步電機憑什么能成為主流的驅動電機？
http://www.199rrr.com 2023-11-09 14:35 來源：今日電機
為什么永磁同步電機成為主要的驅動電機？
電動機可以使電能轉化為機械能，并通過傳動系統將機械類傳遞到車輪驅動汽車行駛，是新能源汽車核心驅動系統之一。目前新能源汽車常用的驅動電機主要是永磁同步電機及交流異步電機兩類，大多數新能源汽車采用的是永磁同步電機，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，代表車企有特斯拉、奔馳等。
常用電機中適用于電力驅動的電機分類
異步電動機主要由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分組成，當定子繞組接通交流電源時，轉子就會旋轉并輸出動力。其主要原理是定子繞組通電（交流電）后會形成一個旋轉的電磁場，而轉子繞組是一個閉合導體，在定子旋轉磁場中不停切割定子的磁感應線。根據法拉第定律，閉合導體切割磁感線會產生電流，而電流會產生一個電磁場，此時就有了兩個電磁場：一個是接通外部交流電的定子電磁場，另外一個是切割定子電磁感應線產生的轉子電磁場。而根據楞次定律，感應電流總要反抗引起感應電流的原因，也就是盡力使轉子上的導體不再切割定子旋轉磁場的磁感應線，這樣的結果就是：轉子上的導體會“追趕”定子的旋轉電磁場，也就是使轉子追著定子旋轉磁場跑，最終使電動機開始旋轉，在過程中，轉子旋轉速度（n2）和定子旋轉速度（n1）轉速不同步（轉速差 2-6%左右），因此稱之為異步交流電機，反之如果轉速相同，則稱之為同步電機。
上圖左：單相異步電機構造示意圖
上圖右：異步電機工作原理示意圖
永磁同步電機也屬于交流電機一種，其轉子由具有永久磁體的鋼制成，電機工作時給定子通電，產生旋轉磁場推動轉子轉動，“同步”的意思是穩態運行時，轉子的旋轉速度與磁場的旋轉速度同步。永磁同步電動機具有較高的功率質量比，體積更小，質量更輕，輸出轉矩更大，電動機的極限轉速和制動性能也比較優異，因此永磁同步電動機已成為現今電動汽車應用最多的電動機。但永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降，或發生退磁現象，有可能降低永磁電動機的性能。另外，稀土式永磁同步電動機要用到稀土材料，制造成本不太穩定。
上圖左：永磁同步電機構造示意圖
上圖右：奧迪汽車永磁同步電機構造圖
與永磁同步電機相比，異步電機工作時需要吸收電能勵磁，這部分會損耗電能，使得電機的效率降低，而永磁電機由于加入永磁體，成本較高。
選擇交流異步電機的車型會傾向于性能優先，利用交流異步電機在高轉速下的性能輸出和效率優勢，代表車型就是早期的 Model S。主要特點：當汽車處于高速行駛時，能夠保持高速運轉和高效的電能使用效率，在保持最大動力輸出的同時，減少能耗；
選擇永磁同步電機的車型則傾向于能耗優先，利用永磁同步電機在低速階段的性能輸出和高效運轉，適用于中小型車。特點就是體積小、重量輕，可以增加續航。同時它調速性能好，在面對反復啟停、加減速時，能保持較高效率。
異步感應電機和永磁同步電機的特點
永磁同步電機占主導地位。高工產業研究院（GGII）依據發布的《新能源汽車產業鏈月度數據庫》統計顯示，2022 年 1-8 月份國內新能源汽車驅動電機裝機約 347.8 萬套，同比增長 101%。其中，永磁同步電機裝機 332.9 萬套，同比增長 106%；交流異步電機裝機 129.5 萬套，同比增長 22%。
永磁同步電機成為純電動乘用車市場的主要驅動電機。
從國內外主流車型電機選擇來看，國內的上海汽車、吉利汽車、廣州汽車、北京汽車、騰勢汽車等推出的新能源汽車均使用永磁同步電機。國內主要使用永磁同步電機，一是因為永磁同步電機低速性能好、轉化效率高，非常適合城市交通頻繁啟停的復雜工況，二來是因為永磁同步電機中的釹鐵硼永磁材料需要使用稀土資源，而我國擁有全球 70%的稀土資源，釹鐵硼磁性材料的總產量達到全球的 80%，所以中國更熱衷于使用永磁同步電機。
國外的特斯拉和寶馬則是永磁同步電機和交流異步電機協同發展。從應用結構來看，永磁同步電機是新能源汽車的主流選擇。
國內外部分新能源汽車電機類型
永磁同步電機成本中，永磁材料成本約 30%。永磁同步電機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子永磁體，成本構成在 30%左右；硅鋼片主要用于制作定轉子鐵芯，成本構成在 20%左右；定子繞組成本構成在 15%左右；電機軸成本構成在 5%左右；電機殼成本構成在 15%左右。
永磁同步驅動電機成本分析
為什么永磁電機的效率會更高？
永磁同步電機主要由定子、轉子和殼體部件構成。與普通交流電機一樣，定子鐵芯為疊片結構，以減小電動機運行時因渦流和磁滯效應鐵耗；繞組通常也為三相對稱結構，只是參數選取有較大區別。轉子部分則形式多樣，有帶啟動鼠籠的永磁轉子，也有內嵌式或表貼式純永磁轉子。轉子鐵芯可以制成實心結構，也可以疊片而成。轉子上裝有永磁體材料，大家習慣上稱之為磁鋼。
永磁電機正常工作下，轉子與定子磁場處于同步狀態，轉子部分沒有感應電流，無轉子銅耗和磁滯、渦流損耗，不需要考慮轉子損耗發熱問題。一般永磁電機為專用變頻器供電，天然具有軟啟動功能。另外，永磁電機屬于同步電機，具有同步電機通過勵磁強弱調節功率因數的特點，因而功率因數可以設計到規定數值。
從起動角度分析，緣于永磁電機由變頻電源或配套變頻器起動的實際，永磁電機的起動過程實現很容易；與變頻電機的起動相似，規避了普通籠型異步電機的起動缺陷。
總之，永磁電機的效率和功率因數可以達到很高，結構非常簡單，近十幾年來市場十分火爆。
但是，失磁故障是永磁電機不可回避的問題，當電流過大或溫度過高時，會導致電機繞組溫度瞬間不斷攀升、電流急劇增大，永磁體迅速失磁。在永磁電機控制中，設定了過電流保護裝置，避免了電機定子繞組被燒毀的問題，但由此而導致的失磁和設備停運不可避免。
相對于其他電機，永磁電機在市場上的應用還不是很普及，無論對于電機制造者還是使用者，都有一些未知的技術盲區，特別是涉及到與變頻器的匹配問題，往往會導致設計值與試驗數據嚴重不符，必須反復驗證。
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