纯电动车的驱动电机里，藏着哪些秘密？

燃油车时代“三大件”，即底盘、发动机、变速箱。纯电动车时代“三电”成为新的关注点，但“三电”中，往往大家最关心的还是BOM成本占比最大的电池。

诸如电池包的容量、续航里程、三元锂还是磷酸铁锂这些信息。

对于电机，我们往往只需知道功率数值即可，对比燃油车上发动机的地位，电机的关注度可谓直线下降。

但其实就像燃油车时代，汽车发动机的气缸布局有直列、V型、水平对置的区别，不同的排布决定彼此不同的性能。

在纯电动汽车上，电机也分不同类型，不同的类型也决定彼此不同的性能。

比如我们最常听到的永磁同步电机和交流异步电机，它们都有什么不同呢？

永磁同步电机是我们最常见的电机类型，下到几万块的宏光MINI EV，上到百万级别的保时捷taycan车上都能看到它的出现。

而交流异步电机应用的较少，且目前多搭载的四驱纯电动车的前轴上，为什么这么布置呢？

我们先看下什么是电机？其实电机的诞生时间比内燃机和汽车都要早多了。

在德国人奥古斯特.奥托和卡尔.本茨相继发明第一台四冲程内燃机，以及第一辆汽车之前半个多世纪。

△法拉第1821年实验电机模型

1821年，大名鼎鼎的法拉第就攒出了第一个实验电机的模型，并证明电可以做工，以及于1831年发现了电磁感应现象。

让我们来复习下初中物理：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象。

而基于电磁感应原理，尼古拉·特斯拉发明了又三相交流电，可以产生旋转的定子磁场，进而用旋转磁场的方法发明了交流感应电机。

现在新能源汽车上的永磁同步电机和交流异步电机，在结构上就可以简单分为两块。

一个是固定的“定子”，一个是旋转的“转子”，两者的组合如上图。

在电机中，当定子通电即产生一个旋转磁场，旋转磁场将切割定子中的转子，从而使转子产生感应电流。

而产生感应电流的转子本身又在定子旋转磁场中将产生电磁力，进而在电机转轴上形成电磁转矩，从而把电能转换成机械能驱动电动机旋转。

这种通电导体（产生感应电流的转子）在磁场中受力运动的过程中也就是电机的工作原理。

这也基本就是交流异步电机工作原理，即交流异步电机的转子缠绕有大量绕组线圈，产生感应电流进而在磁场中旋转。

所以交流异步电机又被成为交流感应电机。

△交流异步电机

另外交流感应电机为啥还称交流异步电机？是因为线圈绕组的转子和定子的旋转磁场始终存在速度差。

因为两者转速相同后，就不存在转子切割磁感线运动了，那么也就没有感应电流存在了，没有感应电流转子就没了感应磁场，那就转子就不转了。

但是，转子一停，切割磁感线运动又出现了，转子的运动和定子旋转磁场总是差上一步，所以才叫“异步电机”。

永磁同步电机的不同在于，永磁同步电机的转子本身就是永磁体。

它本身已产生固定方向的磁场，所以只要定子通电后，定子的旋转磁场就能一直带着转子旋转，两者一直是保持同步转速，这也是为什么称之为“永磁同步”。

而因为转子和定子旋转磁场始终同步，永磁同步电机电机功率密度、扭矩密度、低速大扭矩输出的响应也都更好，也更易控制，因为只要控制定子的电流频率大小，即可控制转速。

相比起交流异步电机，永磁同步电机也省去中间的转子感应带电进而再产生磁场的过程，还提升了能量转化效率。

交流感应电机的转子感应是通过在转子上线圈绕组产生的，线圈绕组其实会带来电阻损耗。

△永磁同步电机

永磁同步电机转子是永磁体，也没有了线圈绕组也就没有了这部分损耗产生。

另外，永磁同步电机采用永磁体转子，而非线圈绕组感应转子，一般体积也比较小，再加上能量转化效率高在续航表现上的优势。

所以从目前应用上永磁同步电机占比非常高，从入门级到百万级都能看到它的身影。

根据高工产研锂电研究所的数据，永磁同步电机2021年的装车量占比高达94%。

那么永磁同步电机这么好？交流异步电机的优势是什么？

可以说，永磁同步电机的劣势，就是交流异步电机的优势。

首先永磁同步电机中的永磁体需要用到钕铁硼(NdFeB)等稀土原料，虽然中国拥有全球70%以上的易开采稀土资源，但稀土的价格依旧是比较贵的。

这也是为什么一直在降本的特斯拉，宣称下一代电机将完全不使用稀土材料。

而在永磁同步电机中，永磁体要占整个电机成本的一半左右，相比之下用不到永磁体做转子的交流异步电机成本就低很多。

此外，永磁同步电机还存在一个问题，高速状态下电机需要进行弱磁控制，也就是生成一个逆向磁场来削弱永磁体的磁场，这会降低电机高速效率。

而交流异步电机，转子磁场是感应产生的，所以减少电流输入即可。

另外，永磁体还易受高温影响，因为高温会不可逆的消磁。

所以在电机高转速、高负载情况下，永磁同步电机相比交流异步电机就没了优势了。

这是正是为什么多数只采用永磁同步电机的纯电动车，极速性能往往限制在180km/h左右。

保时捷taycan虽然采用前后永磁同步电机，极速也超过200km/h，但其是通过一台放置于后轴的2挡变速箱来解这个问题。

而类似于蔚来ET5、7，特斯拉Model 3等四驱版本，电机通常则是后永磁同步+前交流异步电机的方案。

这种方案既能保证低速状态下的动力响应、能耗等，也能保证高速性能。

除了永磁同步电机和交流异步电机，现在还有一些厂家使用励磁电机，这又有什么不同？

其实励磁电机的核心是用电励磁线圈代替了永磁铁，和交流异步电机中感应带电的转子线圈绕组。

而通过直接调整线圈的电流就可以改变磁场强度，相当于功率输出与励磁电流直接相关，根据运行工况提供合适的励磁即可。

励磁电机对于电机功率输出控制也更为线性，低速性能优异，高转速下也可以做到稳定、持续的功率以及扭矩输出。

△励磁电机结构

此前体验过搭载励磁电机的纯电动车，确实高速状态下依旧也能感受到非常充沛的动力输出，让人快感不减。

不过，励磁电机听起来似乎比永磁同步电机和交流异步电机都要好。

但励磁电机需要一个滑环碳刷装置将励磁电流引入，也就是电刷，这一装置又会磨损产生粉尘对电机有影响。

而目前用励磁电机的有日产和宝马，即日产艾睿亚和宝马i3、i4产品上。

宝马 iX M60是最早应用这一技术的，搭载前后双励磁同步电机的BMW iX M60最高时速250公里/小时，运动模式下峰值扭矩可以达到1015牛·米。

此前宝马也宣称其励磁电机采用耐磨电刷，为自研的加工技术与石墨复合材料打造有更久的寿命，但实际如何也要看最终表现。

 

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