今日觀點!純電動車的驅動電機里，藏著哪些秘密？

燃油車時代“三大件”，即底盤、發動機、變速箱。純電動車時代“三電”成為新的關注點，但“三電”中，往往大家最關心的還是BOM成本占比最大的電池。

諸如電池包的容量、續航里程、三元鋰還是磷酸鐵鋰這些信息。

(相關資料圖)

對于電機，我們往往只需知道功率數值即可，對比燃油車上發動機的地位，電機的關注度可謂直線下降。

但其實就像燃油車時代，汽車發動機的氣缸布局有直列、V型、水平對置的區別，不同的排布決定彼此不同的性能。

在純電動汽車上，電機也分不同類型，不同的類型也決定彼此不同的性能。

比如我們最常聽到的永磁同步電機和交流異步電機，它們都有什么不同呢？

永磁同步電機是我們最常見的電機類型，下到幾萬塊的宏光MINI EV，上到百萬級別的保時捷taycan車上都能看到它的出現。

而交流異步電機應用的較少，且目前多搭載的四驅純電動車的前軸上，為什么這么布置呢？

我們先看下什么是電機？其實電機的誕生時間比內燃機和汽車都要早多了。

在德國人奧古斯特.奧托和卡爾.本茨相繼發明第一臺四沖程內燃機，以及第一輛汽車之前半個多世紀。

△法拉第1821年實驗電機模型

1821年，大名鼎鼎的法拉第就攢出了第一個實驗電機的模型，并證明電可以做工，以及于1831年發現了電磁感應現象。

讓我們來復習下初中物理：閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流，這種現象叫電磁感應現象。

而基于電磁感應原理，尼古拉·特斯拉發明了又三相交流電，可以產生旋轉的定子磁場，進而用旋轉磁場的方法發明了交流感應電機。

現在新能源汽車上的永磁同步電機和交流異步電機，在結構上就可以簡單分為兩塊。

一個是固定的“定子”，一個是旋轉的“轉子”，兩者的組合如上圖。

在電機中，當定子通電即產生一個旋轉磁場，旋轉磁場將切割定子中的轉子，從而使轉子產生感應電流。

而產生感應電流的轉子本身又在定子旋轉磁場中將產生電磁力，進而在電機轉軸上形成電磁轉矩，從而把電能轉換成機械能驅動電動機旋轉。

這種通電導體（產生感應電流的轉子）在磁場中受力運動的過程中也就是電機的工作原理。

這也基本就是交流異步電機工作原理，即交流異步電機的轉子纏繞有大量繞組線圈，產生感應電流進而在磁場中旋轉。

所以交流異步電機又被成為交流感應電機。

△交流異步電機

另外交流感應電機為啥還稱交流異步電機？是因為線圈繞組的轉子和定子的旋轉磁場始終存在速度差。

因為兩者轉速相同后，就不存在轉子切割磁感線運動了，那么也就沒有感應電流存在了，沒有感應電流轉子就沒了感應磁場，那就轉子就不轉了。

但是，轉子一停，切割磁感線運動又出現了，轉子的運動和定子旋轉磁場總是差上一步，所以才叫“異步電機”。

永磁同步電機的不同在于，永磁同步電機的轉子本身就是永磁體。

它本身已產生固定方向的磁場，所以只要定子通電后，定子的旋轉磁場就能一直帶著轉子旋轉，兩者一直是保持同步轉速，這也是為什么稱之為“永磁同步”。

而因為轉子和定子旋轉磁場始終同步，永磁同步電機電機功率密度、扭矩密度、低速大扭矩輸出的響應也都更好，也更易控制，因為只要控制定子的電流頻率大小，即可控制轉速。

相比起交流異步電機，永磁同步電機也省去中間的轉子感應帶電進而再產生磁場的過程，還提升了能量轉化效率。

交流感應電機的轉子感應是通過在轉子上線圈繞組產生的，線圈繞組其實會帶來電阻損耗。

△永磁同步電機

永磁同步電機轉子是永磁體，也沒有了線圈繞組也就沒有了這部分損耗產生。

另外，永磁同步電機采用永磁體轉子，而非線圈繞組感應轉子，一般體積也比較小，再加上能量轉化效率高在續航表現上的優勢。

所以從目前應用上永磁同步電機占比非常高，從入門級到百萬級都能看到它的身影。

根據高工產研鋰電研究所的數據，永磁同步電機2021年的裝車量占比高達94%。

那么永磁同步電機這么好？交流異步電機的優勢是什么？

可以說，永磁同步電機的劣勢，就是交流異步電機的優勢。

首先永磁同步電機中的永磁體需要用到釹鐵硼(NdFeB)等稀土原料，雖然中國擁有全球70%以上的易開采稀土資源，但稀土的價格依舊是比較貴的。

這也是為什么一直在降本的特斯拉，宣稱下一代電機將完全不使用稀土材料。

而在永磁同步電機中，永磁體要占整個電機成本的一半左右，相比之下用不到永磁體做轉子的交流異步電機成本就低很多。

此外，永磁同步電機還存在一個問題，高速狀態下電機需要進行弱磁控制，也就是生成一個逆向磁場來削弱永磁體的磁場，這會降低電機高速效率。

而交流異步電機，轉子磁場是感應產生的，所以減少電流輸入即可。

另外，永磁體還易受高溫影響，因為高溫會不可逆的消磁。

所以在電機高轉速、高負載情況下，永磁同步電機相比交流異步電機就沒了優勢了。

這是正是為什么多數只采用永磁同步電機的純電動車，極速性能往往限制在180km/h左右。

保時捷taycan雖然采用前后永磁同步電機，極速也超過200km/h，但其是通過一臺放置于后軸的2擋變速箱來解這個問題。

而類似于蔚來ET5、7，特斯拉Model 3等四驅版本，電機通常則是后永磁同步+前交流異步電機的方案。

這種方案既能保證低速狀態下的動力響應、能耗等，也能保證高速性能。

除了永磁同步電機和交流異步電機，現在還有一些廠家使用勵磁電機，這又有什么不同？

其實勵磁電機的核心是用電勵磁線圈代替了永磁鐵，和交流異步電機中感應帶電的轉子線圈繞組。

而通過直接調整線圈的電流就可以改變磁場強度，相當于功率輸出與勵磁電流直接相關，根據運行工況提供合適的勵磁即可。

勵磁電機對于電機功率輸出控制也更為線性，低速性能優異，高轉速下也可以做到穩定、持續的功率以及扭矩輸出。

△勵磁電機結構

此前體驗過搭載勵磁電機的純電動車，確實高速狀態下依舊也能感受到非常充沛的動力輸出，讓人快感不減。

不過，勵磁電機聽起來似乎比永磁同步電機和交流異步電機都要好。

但勵磁電機需要一個滑環碳刷裝置將勵磁電流引入，也就是電刷，這一裝置又會磨損產生粉塵對電機有影響。

而目前用勵磁電機的有日產和寶馬，即日產艾睿亞和寶馬i3、i4產品上。

寶馬 iX M60是最早應用這一技術的，搭載前后雙勵磁同步電機的BMW iX M60最高時速250公里/小時，運動模式下峰值扭矩可以達到1015牛·米。

此前寶馬也宣稱其勵磁電機采用耐磨電刷，為自研的加工技術與石墨復合材料打造有更久的壽命，但實際如何也要看最終表現。