為什么永磁同步電機成為主要的驅(qū)動電機？

電動機可以使電能轉(zhuǎn)化為機械能，并通過傳動系統(tǒng)將機械類傳遞到車輪驅(qū)動汽車行駛，是新能源汽車核心驅(qū)動系統(tǒng)之一。目前新能源汽車常用的驅(qū)動電機主要是永磁同步電機及交流異步電機兩類，大多數(shù)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(qū)動的電機分類

異步電動機主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，當定子繞組接通交流電源時，轉(zhuǎn)子就會旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的電磁場，而轉(zhuǎn)子繞組是一個閉合導(dǎo)體，在定子旋轉(zhuǎn)磁場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)體切割磁感線會產(chǎn)生電流，而電流會產(chǎn)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(yīng)線產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電磁場。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)磁場的磁感應(yīng)線，這樣的結(jié)果就是：轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體會“追趕”定子的旋轉(zhuǎn)電磁場，也就是使轉(zhuǎn)子追著定子旋轉(zhuǎn)磁場跑，最終使電動機開始旋轉(zhuǎn)，在過程中，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，反之如果轉(zhuǎn)速相同，則稱之為同步電機。

上圖左：單相異步電機構(gòu)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(zhuǎn)子由具有永久磁體的鋼制成，電機工作時給定子通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，“同步”的意思是穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與磁場的旋轉(zhuǎn)速度同步。永磁同步電動機具有較高的功率質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動機的極限轉(zhuǎn)速和制動性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動機已成為現(xiàn)今電動汽車應(yīng)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(dǎo)磁性能可能會下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)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(wěn)定。

上圖左：永磁同步電機構(gòu)造示意圖

上圖右：奧迪汽車永磁同步電機構(gòu)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(yōu)先，利用交流異步電機在高轉(zhuǎn)速下的性能輸出和效率優(yōu)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(zhuǎn)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(yōu)先，利用永磁同步電機在低速階段的性能輸出和高效運轉(zhuǎn)，適用于中小型車。特點就是體積小、重量輕，可以增加續(xù)航。同時它調(diào)速性能好，在面對反復(fù)啟停、加減速時，能保持較高效率。

異步感應(yīng)電機和永磁同步電機的特點

永磁同步電機占主導(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》統(tǒng)計顯示，2022 年 1-8 月份國內(nèi)新能源汽車驅(qū)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(qū)動電機。

從國內(nèi)外主流車型電機選擇來看，國內(nèi)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(nèi)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(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(chǎn)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(xié)同發(fā)展。從應(yīng)用結(jié)構(gòu)來看，永磁同步電機是新能源汽車的主流選擇。

國內(nèi)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(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；電機軸成本構(gòu)成在 5%左右；電機殼成本構(gòu)成在 15%左右。

永磁同步驅(qū)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(zhuǎn)子和殼體部件構(gòu)成。與普通交流電機一樣，定子鐵芯為疊片結(jié)構(gòu)，以減小電動機運行時因渦流和磁滯效應(yīng)鐵耗；繞組通常也為三相對稱結(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。

永磁電機正常工作下，轉(zhuǎn)子與定子磁場處于同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子部分沒有感應(yīng)電流，無轉(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(diào)節(jié)功率因數(shù)的特點，因而功率因數(shù)可以設(shè)計到規(guī)定數(shù)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(xiàn)很容易；與變頻電機的起動相似，規(guī)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(shù)可以達到很高，結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)致的失磁和設(shè)備停運不可避免。

相對于其他電機，永磁電機在市場上的應(yīng)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(shù)盲區(qū)，特別是涉及到與變頻器的匹配問題，往往會導(dǎo)致設(shè)計值與試驗數(shù)據(jù)嚴重不符，必須反復(fù)驗證。