永磁同步與異步感應(yīng)：為何高端電動車，必須同時要裝這兩種電機？
2020-6-16 13:12:13??????點擊：
文章概況：電機，作為電動汽車的主要動力源，其性能的優(yōu)良直接決定了一輛電動車動力性能以及續(xù)航能力的表現(xiàn)。
電機，作為電動汽車的主要動力源，其性能的優(yōu)良直接決定了一輛電動車動力性能以及續(xù)航能力的表現(xiàn)。現(xiàn)階段在售新能源車所采用的電機種類無外乎兩種：永磁同步電機和感應(yīng)異步電機。這兩種技術(shù)有何區(qū)別？為何特斯拉Model 3、蔚來這樣的高端電動車，都是兩種電機一前一后排列呢？
電機和電機之間有啥不同？
我們初中就學(xué)過，所謂電機，指的是依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。簡單來說，就是利用電生磁，然后再利磁場同性相斥，異性相吸的原理產(chǎn)生動力。
電機原理示意圖丨首席出行官
一般的電機內(nèi)部，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個主要部分構(gòu)成。所謂定子，就是電機內(nèi)部的兩塊固定磁鐵，分別為N極和S級。在兩塊磁鐵中間，可以旋轉(zhuǎn)的部分則為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的主要材質(zhì)是由硅鋼片疊壓并纏繞線圈構(gòu)成。值得注意的是，轉(zhuǎn)子上的線圈是需要以特定的方向進行纏繞，如此才能令轉(zhuǎn)子“聽話”的旋轉(zhuǎn)起來。
電機原理示意圖丨首席出行官
在通電時，電流會沿著線圈的纏繞方向進行傳導(dǎo)。同時，根據(jù)“電生磁”原理便直接產(chǎn)生了相應(yīng)的磁場。根據(jù)“同性相斥，異性相吸”原理與定子上的永磁體“相反”，由此轉(zhuǎn)子便開始產(chǎn)生動力并開始旋轉(zhuǎn)。
而應(yīng)用在電動汽車上的永磁同步電機，結(jié)構(gòu)卻有些不同。電動車上所應(yīng)用的電機結(jié)構(gòu)恰恰相反，其轉(zhuǎn)子采用永磁體的形式，而定子則采用銅線纏繞的形式。而提供動力的原理則與一般電機相同，定子通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，永磁體轉(zhuǎn)子則自帶磁場，同理產(chǎn)生動力。
電動車永磁同步電機原理示意圖丨首席出行官
另外，永磁同步電機中所謂的的“同步”，其代表的意思是電機中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子繞組的電流頻率始終保持一致，故稱之為同步。
另外一種電機，則是感應(yīng)異步電機。其本質(zhì)電能轉(zhuǎn)化為動能的原理依舊相同，只不過感應(yīng)電機內(nèi)并不存在永磁體。另外一點不同是，感應(yīng)電機是定子通電產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并與轉(zhuǎn)子繞組形成相對運動。轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力。
而“異步”所蘊含的意思則是，在交流異步電機中，轉(zhuǎn)子的速度始終是在“追趕”定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度。同時，轉(zhuǎn)子為了能夠切割磁感線產(chǎn)生電流，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速需要一直比定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速慢。因為二者為異步運行，故稱其為異步電機。
簡單來說，永磁同步電機的定子形成的旋轉(zhuǎn)磁場就好比是自帶動力的主動齒輪，而轉(zhuǎn)子則是嚙合在一起的從動齒輪，兩者之間的關(guān)系有些類似于硬連接。而感應(yīng)異步電機則類似于風(fēng)車。定子形成的旋轉(zhuǎn)磁場就相當(dāng)于風(fēng)，轉(zhuǎn)子則相當(dāng)于風(fēng)車的葉片，風(fēng)吹向葉片使葉片運轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生動力。
再結(jié)合首席出行官的“靈魂畫作”，簡單的道理你已經(jīng)懂了吧。
兩種電機“各有所長”
其實，目前包括特斯拉Model 3在內(nèi)的高端電動車的動力系統(tǒng)，都選擇了搭載雙形式電機的動力解決方案，即“前永磁，后感應(yīng)”的雙電機配置。這樣的混搭其實就直接表明了兩種電機形式擅長的“技能點”不同：永磁電機能保證更長的續(xù)航能力，感應(yīng)電機則能保證更強的性能表現(xiàn)。
不過除了這個眾所周知的特點，兩種電機還有什么區(qū)別呢？
首先，在效率上，永磁同步電機的效率更高。因轉(zhuǎn)子材質(zhì)本身為永磁體，只需給定子通電形成旋轉(zhuǎn)磁場便可以直接帶動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。所謂同步電機，定子旋轉(zhuǎn)磁場每旋轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)子也會旋轉(zhuǎn)一圈。這其中理論上不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗，顯然效率最優(yōu)。而感應(yīng)異步電機的轉(zhuǎn)子需要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這本身存在無功功率，且運轉(zhuǎn)速度始終慢于定子的旋轉(zhuǎn)磁場，故效率會低于永磁同步電機。
也正是因為其不同的工作特性，感應(yīng)異步電機的電耗會高于永磁同步電機。這也就解答了蔚來ES8，奧迪e-tron以及奔馳EQC等雙感應(yīng)電機的電耗更高，續(xù)航能力更差的主要原因。“
這里插播一個問題，老款特斯拉在采用同樣的雙感應(yīng)電機為何續(xù)航要強于上述車型呢？第一，老款特斯拉無論Model S和Model X本身的實際續(xù)航能力其實并非很強；第二，特斯拉因其在電控及電池的技術(shù)優(yōu)化的更好，綜合效率更高，所以其續(xù)航能力會略強于其他車型。在本質(zhì)，特斯拉所采用的感應(yīng)電機同樣有著高電耗的事實，所以最新款的特斯拉車型均更換為永磁+感應(yīng)電機的混合動力搭配。
不過，在電機穩(wěn)定性上，感應(yīng)異步電機表現(xiàn)更佳。因為永磁同步電機本身自帶永磁體，所以其必然會面對“高溫退磁”的情況，長時間高負(fù)荷運行會導(dǎo)致電機內(nèi)部溫度過高，進而導(dǎo)致永磁體磁性下降甚至是消磁。相比之下，感應(yīng)異步電機則無須擔(dān)心退磁現(xiàn)象的發(fā)生。
電動車動力結(jié)構(gòu)示意圖丨首席出行官
在動力性能上，感應(yīng)異步電機動力性能更強。現(xiàn)階段，只有少數(shù)永磁同步電機的功率可以達(dá)到200kW以上，而感應(yīng)異步電機甚至可以做到300kW+。其主要原因是永磁同步電機受制于永磁體的材料性能，也就是磁力的大小，功率做不了太大。另一方面則受制于電機穩(wěn)定性，尤其是高溫退磁現(xiàn)象，電腦會對電機使用最大功率的時間進行限制。這些都限制了永磁同步電機性能的發(fā)揮。
最后在成本方面，同等標(biāo)準(zhǔn)下永磁同步電機的成本會略高于感應(yīng)異步電機，其核心原因在于永磁體的材質(zhì)。
電機結(jié)構(gòu)示意圖丨首席出行官
要知道，制造永磁體所需的釹鐵硼永磁材料是稀土資源，其購入成本自然會高于感應(yīng)電機。尤其對于稀土資源缺少或稀土工業(yè)不發(fā)達(dá)的國家而言，進口稀土資源無疑直接導(dǎo)致了電機成本的增加。
但在我國的情況卻有所不同，中國擁有全球70%的稀土資源，釹鐵硼磁性材料的總產(chǎn)量達(dá)到全球的80%，所以國內(nèi)供應(yīng)商生產(chǎn)永磁同步電機的成本會更低。不過，我國已經(jīng)將稀土列為戰(zhàn)略物資并限制出口，這也致使國際稀土價格進一步提高，讓國外永磁同步電機供應(yīng)商的成本增加。
未來很長一段時間，“感應(yīng)+永磁”還會是行業(yè)標(biāo)配
其實并不存在孰強孰弱的關(guān)系，兩種電機擁有著各自不同的特性。車企在選用兩種電機的時候也會根據(jù)不同定位及需求，選用不同的電機類型。例如，國內(nèi)中低端電動車均選用永磁同步電機，其根本原因就是其效率更高，電耗更小，進而實現(xiàn)更長的續(xù)航里程。而偏高端電動車則更樂意選用感應(yīng)異步電機，來滿足更強的動力性能。
當(dāng)然，隨著永磁同步電機的技術(shù)發(fā)展，如今這類電機的動力性能在有了明顯提升的同時。但是，感應(yīng)電機無論在性能還是成本上都還擁有不少的優(yōu)勢。所以，如今的高端電動車都選用了永磁+感應(yīng)的“混搭配方”。
電機，作為電動汽車的主要動力源，其性能的優(yōu)良直接決定了一輛電動車動力性能以及續(xù)航能力的表現(xiàn)。現(xiàn)階段在售新能源車所采用的電機種類無外乎兩種：永磁同步電機和感應(yīng)異步電機。這兩種技術(shù)有何區(qū)別？為何特斯拉Model 3、蔚來這樣的高端電動車，都是兩種電機一前一后排列呢？
電機和電機之間有啥不同？
我們初中就學(xué)過，所謂電機，指的是依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。簡單來說，就是利用電生磁，然后再利磁場同性相斥，異性相吸的原理產(chǎn)生動力。
電機原理示意圖丨首席出行官
一般的電機內(nèi)部，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個主要部分構(gòu)成。所謂定子，就是電機內(nèi)部的兩塊固定磁鐵，分別為N極和S級。在兩塊磁鐵中間，可以旋轉(zhuǎn)的部分則為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的主要材質(zhì)是由硅鋼片疊壓并纏繞線圈構(gòu)成。值得注意的是，轉(zhuǎn)子上的線圈是需要以特定的方向進行纏繞，如此才能令轉(zhuǎn)子“聽話”的旋轉(zhuǎn)起來。
電機原理示意圖丨首席出行官
在通電時，電流會沿著線圈的纏繞方向進行傳導(dǎo)。同時，根據(jù)“電生磁”原理便直接產(chǎn)生了相應(yīng)的磁場。根據(jù)“同性相斥，異性相吸”原理與定子上的永磁體“相反”，由此轉(zhuǎn)子便開始產(chǎn)生動力并開始旋轉(zhuǎn)。
而應(yīng)用在電動汽車上的永磁同步電機，結(jié)構(gòu)卻有些不同。電動車上所應(yīng)用的電機結(jié)構(gòu)恰恰相反，其轉(zhuǎn)子采用永磁體的形式，而定子則采用銅線纏繞的形式。而提供動力的原理則與一般電機相同，定子通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，永磁體轉(zhuǎn)子則自帶磁場，同理產(chǎn)生動力。
電動車永磁同步電機原理示意圖丨首席出行官
另外，永磁同步電機中所謂的的“同步”，其代表的意思是電機中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子繞組的電流頻率始終保持一致，故稱之為同步。
感應(yīng)異步電機示意圖丨首席出行官
另外一種電機，則是感應(yīng)異步電機。其本質(zhì)電能轉(zhuǎn)化為動能的原理依舊相同，只不過感應(yīng)電機內(nèi)并不存在永磁體。另外一點不同是，感應(yīng)電機是定子通電產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并與轉(zhuǎn)子繞組形成相對運動。轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力。
而“異步”所蘊含的意思則是，在交流異步電機中，轉(zhuǎn)子的速度始終是在“追趕”定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度。同時，轉(zhuǎn)子為了能夠切割磁感線產(chǎn)生電流，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速需要一直比定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速慢。因為二者為異步運行，故稱其為異步電機。
簡單來說，永磁同步電機的定子形成的旋轉(zhuǎn)磁場就好比是自帶動力的主動齒輪，而轉(zhuǎn)子則是嚙合在一起的從動齒輪，兩者之間的關(guān)系有些類似于硬連接。而感應(yīng)異步電機則類似于風(fēng)車。定子形成的旋轉(zhuǎn)磁場就相當(dāng)于風(fēng)，轉(zhuǎn)子則相當(dāng)于風(fēng)車的葉片，風(fēng)吹向葉片使葉片運轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生動力。
再結(jié)合首席出行官的“靈魂畫作”，簡單的道理你已經(jīng)懂了吧。
兩種電機“各有所長”
其實，目前包括特斯拉Model 3在內(nèi)的高端電動車的動力系統(tǒng)，都選擇了搭載雙形式電機的動力解決方案，即“前永磁，后感應(yīng)”的雙電機配置。這樣的混搭其實就直接表明了兩種電機形式擅長的“技能點”不同：永磁電機能保證更長的續(xù)航能力，感應(yīng)電機則能保證更強的性能表現(xiàn)。
不過除了這個眾所周知的特點，兩種電機還有什么區(qū)別呢？
首先，在效率上，永磁同步電機的效率更高。因轉(zhuǎn)子材質(zhì)本身為永磁體，只需給定子通電形成旋轉(zhuǎn)磁場便可以直接帶動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。所謂同步電機，定子旋轉(zhuǎn)磁場每旋轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)子也會旋轉(zhuǎn)一圈。這其中理論上不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗，顯然效率最優(yōu)。而感應(yīng)異步電機的轉(zhuǎn)子需要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這本身存在無功功率，且運轉(zhuǎn)速度始終慢于定子的旋轉(zhuǎn)磁場，故效率會低于永磁同步電機。
也正是因為其不同的工作特性，感應(yīng)異步電機的電耗會高于永磁同步電機。這也就解答了蔚來ES8，奧迪e-tron以及奔馳EQC等雙感應(yīng)電機的電耗更高，續(xù)航能力更差的主要原因。“
這里插播一個問題，老款特斯拉在采用同樣的雙感應(yīng)電機為何續(xù)航要強于上述車型呢？第一，老款特斯拉無論Model S和Model X本身的實際續(xù)航能力其實并非很強；第二，特斯拉因其在電控及電池的技術(shù)優(yōu)化的更好，綜合效率更高，所以其續(xù)航能力會略強于其他車型。在本質(zhì)，特斯拉所采用的感應(yīng)電機同樣有著高電耗的事實，所以最新款的特斯拉車型均更換為永磁+感應(yīng)電機的混合動力搭配。
不過，在電機穩(wěn)定性上，感應(yīng)異步電機表現(xiàn)更佳。因為永磁同步電機本身自帶永磁體，所以其必然會面對“高溫退磁”的情況，長時間高負(fù)荷運行會導(dǎo)致電機內(nèi)部溫度過高，進而導(dǎo)致永磁體磁性下降甚至是消磁。相比之下，感應(yīng)異步電機則無須擔(dān)心退磁現(xiàn)象的發(fā)生。
電動車動力結(jié)構(gòu)示意圖丨首席出行官
在動力性能上，感應(yīng)異步電機動力性能更強。現(xiàn)階段，只有少數(shù)永磁同步電機的功率可以達(dá)到200kW以上，而感應(yīng)異步電機甚至可以做到300kW+。其主要原因是永磁同步電機受制于永磁體的材料性能，也就是磁力的大小，功率做不了太大。另一方面則受制于電機穩(wěn)定性，尤其是高溫退磁現(xiàn)象，電腦會對電機使用最大功率的時間進行限制。這些都限制了永磁同步電機性能的發(fā)揮。
最后在成本方面，同等標(biāo)準(zhǔn)下永磁同步電機的成本會略高于感應(yīng)異步電機，其核心原因在于永磁體的材質(zhì)。
電機結(jié)構(gòu)示意圖丨首席出行官
要知道，制造永磁體所需的釹鐵硼永磁材料是稀土資源，其購入成本自然會高于感應(yīng)電機。尤其對于稀土資源缺少或稀土工業(yè)不發(fā)達(dá)的國家而言，進口稀土資源無疑直接導(dǎo)致了電機成本的增加。
但在我國的情況卻有所不同，中國擁有全球70%的稀土資源，釹鐵硼磁性材料的總產(chǎn)量達(dá)到全球的80%，所以國內(nèi)供應(yīng)商生產(chǎn)永磁同步電機的成本會更低。不過，我國已經(jīng)將稀土列為戰(zhàn)略物資并限制出口，這也致使國際稀土價格進一步提高，讓國外永磁同步電機供應(yīng)商的成本增加。
未來很長一段時間，“感應(yīng)+永磁”還會是行業(yè)標(biāo)配
其實并不存在孰強孰弱的關(guān)系，兩種電機擁有著各自不同的特性。車企在選用兩種電機的時候也會根據(jù)不同定位及需求，選用不同的電機類型。例如，國內(nèi)中低端電動車均選用永磁同步電機，其根本原因就是其效率更高，電耗更小，進而實現(xiàn)更長的續(xù)航里程。而偏高端電動車則更樂意選用感應(yīng)異步電機，來滿足更強的動力性能。
當(dāng)然，隨著永磁同步電機的技術(shù)發(fā)展，如今這類電機的動力性能在有了明顯提升的同時。但是，感應(yīng)電機無論在性能還是成本上都還擁有不少的優(yōu)勢。所以，如今的高端電動車都選用了永磁+感應(yīng)的“混搭配方”。
本文關(guān)鍵詞：電機 異步電機 永磁同步電機
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