永磁同步电机成为主要驱动电机的原因

为什么永磁同步电机成为主要的驱动电机？

电动机可以使电能转化为机械能，并通过传动系统将机械类传递到车轮驱动汽车行驶，是新能源汽车核心驱动系统之一。目前新能源汽车常用的驱动电机主要是永磁同步电机及交流异步电机两类，大多数新能源汽车采用的是永磁同步电机，代表车企包括比亚迪、理想汽车等，部分车辆采用了交流异步电机，代表车企有特斯拉、奔驰等。   

常用电机中适用于电力驱动的电机分类   异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，当定子绕组接通交流电源时，转子就会旋转并输出动力。其主要原理是定子绕组通电（交流电）后会形成一个旋转的电磁场，而转子绕组是一个闭合导体，在定子旋转磁场中不停切割定子的磁感应线。根据法拉第定律，闭合导体切割磁感线会产生电流，而电流会产生一个电磁场，此时就有了两个电磁场：一个是接通外部交流电的定子电磁场，另外一个是切割定子电磁感应线产生的转子电磁场。而根据楞次定律，感应电流总要反抗引起感应电流的原因，也就是尽力使转子上的导体不再切割定子旋转磁场的磁感应线，这样的结果就是：转子上的导体会“追赶”定子的旋转电磁场，也就是使转子追着定子旋转磁场跑，最终使电动机开始旋转，在过程中，转子旋转速度（n2）和定子旋转速度（n1）转速不同步（转速差 2-6%左右），因此称之为异步交流电机，反之如果转速相同，则称之为同步电机。  

上图左：单相异步电机构造示意图 上图右：异步电机工作原理示意图  

永磁同步电机也属于交流电机一种，其转子由具有永久磁体的钢制成，电机工作时给定子通电，产生旋转磁场推动转子转动，“同步”的意思是稳态运行时，转子的旋转速度与磁场的旋转速度同步。永磁同步电动机具有较高的功率质量比，体积更小，质量更轻，输出转矩更大，电动机的极限转速和制动性能也比较优异，因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用最多的电动机。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降，或发生退磁现象，有可能降低永磁电动机的性能。另外，稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料，制造成本不太稳定。  

上图左：永磁同步电机构造示意图 上图右：奥迪汽车永磁同步电机构造图  

与永磁同步电机相比，异步电机工作时需要吸收电能励磁，这部分会损耗电能，使得电机的效率降低，而永磁电机由于加入永磁体，成本较高。  

选择交流异步电机的车型会倾向于性能优先，利用交流异步电机在高转速下的性能输出和效率优势，代表车型就是早期的 Model S。主要特点：当汽车处于高速行驶时，能够保持高速运转和高效的电能使用效率，在保持最大动力输出的同时，减少能耗；

选择永磁同步电机的车型则倾向于能耗优先，利用永磁同步电机在低速阶段的性能输出和高效运转，适用于中小型车。特点就是体积小、重量轻，可以增加续航。同时它调速性能好，在面对反复启停、加减速时，能保持较高效率。

异步感应电机和永磁同步电机的特点   永磁同步电机占主导地位。高工产业研究院（GGII）依据发布的《新能源汽车产业链月度数据库》统计显示，2022 年 1-8 月份国内新能源汽车驱动电机装机约 347.8 万套，同比增长 101%。其中，永磁同步电机装机 332.9 万套，同比增长 106%；交流异步电机装机 129.5 万套，同比增长 22%。

永磁同步电机成为纯电动乘用车市场的主要驱动电机。

从国内外主流车型电机选择来看，国内的上海汽车、吉利汽车、广州汽车、北京汽车、腾势汽车等推出的新能源汽车均使用永磁同步电机。国内主要使用永磁同步电机，一是因为永磁同步电机低速性能好、转化效率高，非常适合城市交通频繁启停的复杂工况，二来是因为永磁同步电机中的钕铁硼永磁材料需要使用稀土资源，而我国拥有全球 70%的稀土资源，钕铁硼磁性材料的总产量达到全球的 80%，所以中国更热衷于使用永磁同步电机。

国外的特斯拉和宝马则是永磁同步电机和交流异步电机协同发展。从应用结构来看，永磁同步电机是新能源汽车的主流选择。  

国内外部分新能源汽车电机类型   永磁同步电机成本中，永磁材料成本约 30%。永磁同步电机的制造原材料主要有钕铁硼、硅钢片、铜和铝等，其中永磁材料钕铁硼主要用于制造转子永磁体，成本构成在 30%左右；硅钢片主要用于制作定转子铁芯，成本构成在 20%左右；定子绕组成本构成在 15%左右；电机轴成本构成在 5%左右；电机壳成本构成在 15%左右。  

永磁同步驱动电机成本分析    

为什么永磁电机的效率会更高？

永磁同步电机主要由定子、转子和壳体部件构成。与普通交流电机一样，定子铁芯为叠片结构，以减小电动机运行时因涡流和磁滞效应铁耗；绕组通常也为三相对称结构，只是参数选取有较大区别。转子部分则形式多样，有带启动鼠笼的永磁转子，也有内嵌式或表贴式纯永磁转子。转子铁芯可以制成实心结构，也可以叠片而成。转子上装有永磁体材料，大家习惯上称之为磁钢。   永磁电机正常工作下，转子与定子磁场处于同步状态，转子部分没有感应电流，无转子铜耗和磁滞、涡流损耗，不需要考虑转子损耗发热问题。一般永磁电机为专用变频器供电，天然具有软启动功能。另外，永磁电机属于同步电机，具有同步电机通过励磁强弱调节功率因数的特点，因而功率因数可以设计到规定数值。   从起动角度分析，缘于永磁电机由变频电源或配套变频器起动的实际，永磁电机的起动过程实现很容易；与变频电机的起动相似，规避了普通笼型异步电机的起动缺陷。   

总之，永磁电机的效率和功率因数可以达到很高，结构非常简单，近十几年来市场十分火爆。   但是，失磁故障是永磁电机不可回避的问题，当电流过大或温度过高时，会导致电机绕组温度瞬间不断攀升、电流急剧增大，永磁体迅速失磁。在永磁电机控制中，设定了过电流保护装置，避免了电机定子绕组被烧毁的问题，但由此而导致的失磁和设备停运不可避免。  

相对于其他电机，永磁电机在市场上的应用还不是很普及，无论对于电机制造者还是使用者，都有一些未知的技术盲区，特别是涉及到与变频器的匹配问题，往往会导致设计值与试验数据严重不符，必须反复验证。  

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