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永磁同步与异步感应:为何高端电动车,必须同时要装这两种电机?

王新宇
2020-03-20 · 17:26
[ 亿欧导读 ] 电动车电机哪家强?永磁感应混搭才最棒。
永磁同步电机示意图,新能源,电动车,电机,感应电机,永磁同步电机

作者:王新宇,图片来自“亿欧图库”

电机,作为电动汽车的主要动力源,其性能的优良直接决定了一辆电动车动力性能以及续航能力的表现。现阶段在售新能源车所采用的电机种类无外乎两种:永磁同步电机和感应异步电机。这两种技术有何区别?为何特斯拉Model 3、蔚来这样的高端电动车,都是两种电机一前一后排列呢?

电机和电机之间有啥不同?

我们初中就学过,所谓电机,指的是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。简单来说,就是利用电生磁,然后再利磁场同性相斥,异性相吸的原理产生动力。

电机原理示意图丨首席出行官

电机原理示意图丨首席出行官

一般的电机内部,主要由定子和转子两个主要部分构成。所谓定子,就是电机内部的两块固定磁铁,分别为N极和S级。在两块磁铁中间,可以旋转的部分则为转子。转子的主要材质是由硅钢片叠压并缠绕线圈构成。值得注意的是,转子上的线圈是需要以特定的方向进行缠绕,如此才能令转子“听话”的旋转起来。

电机原理示意图丨首席出行官

电机原理示意图丨首席出行官

在通电时,电流会沿着线圈的缠绕方向进行传导。同时,根据“电生磁”原理便直接产生了相应的磁场。根据“同性相斥,异性相吸”原理与定子上的永磁体“相反”,由此转子便开始产生动力并开始旋转。

而应用在电动汽车上的永磁同步电机,结构却有些不同。电动车上所应用的电机结构恰恰相反,其转子采用永磁体的形式,而定子则采用铜线缠绕的形式。而提供动力的原理则与一般电机相同,定子通电产生旋转磁场,永磁体转子则自带磁场,同理产生动力。

电动车电机原理示意图丨首席出行官

电动车永磁同步电机原理示意图丨首席出行官

另外,永磁同步电机中所谓的的“同步”,其代表的意思是电机中转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致,故称之为同步。

感应异步电机示意图丨首席出行官

感应异步电机示意图丨首席出行官

另外一种电机,则是感应异步电机。其本质电能转化为动能的原理依旧相同,只不过感应电机内并不存在永磁体。另外一点不同是,感应电机是定子通电产生一个旋转磁场并与转子绕组形成相对运动。转子绕组切割磁感线产生感应电动势,从而使转子绕组中产生感应电流。转子绕组中的感应电流与磁场作用,产生电磁转矩,使转子旋转产生动力。

而“异步”所蕴含的意思则是,在交流异步电机中,转子的速度始终是在“追赶”定子旋转磁场的速度。同时,转子为了能够切割磁感线产生电流,所以转子的转速需要一直比定子旋转磁场的转速慢。因为二者为异步运行,故称其为异步电机。

简单来说,永磁同步电机的定子形成的旋转磁场就好比是自带动力的主动齿轮,而转子则是啮合在一起的从动齿轮,两者之间的关系有些类似于硬连接。而感应异步电机则类似于风车。定子形成的旋转磁场就相当于风,转子则相当于风车的叶片,风吹向叶片使叶片运转从而产生动力。

再结合首席出行官的“灵魂画作”,简单的道理你已经懂了吧。

两种电机“各有所长”

其实,目前包括特斯拉Model 3在内的高端电动车的动力系统,都选择了搭载双形式电机的动力解决方案,即“前永磁,后感应”的双电机配置。这样的混搭其实就直接表明了两种电机形式擅长的“技能点”不同:永磁电机能保证更长的续航能力,感应电机则能保证更强的性能表现。

不过除了这个众所周知的特点,两种电机还有什么区别呢?

首先,在效率上,永磁同步电机的效率更高。因转子材质本身为永磁体,只需给定子通电形成旋转磁场便可以直接带动转子运转。所谓同步电机,定子旋转磁场每旋转一圈,转子也会旋转一圈。这其中理论上不存在转子电阻和磁滞损耗,显然效率最优。而感应异步电机的转子需要产生感应电流,这本身存在无功功率,且运转速度始终慢于定子的旋转磁场,故效率会低于永磁同步电机。

也正是因为其不同的工作特性,感应异步电机的电耗会高于永磁同步电机。这也就解答了蔚来ES8,奥迪e-tron以及奔驰EQC等双感应电机的电耗更高,续航能力更差的主要原因。“ 

这里插播一个问题,老款特斯拉在采用同样的双感应电机为何续航要强于上述车型呢?第一,老款特斯拉无论Model S和Model X本身的实际续航能力其实并非很强;第二,特斯拉因其在电控及电池的技术优化的更好,综合效率更高,所以其续航能力会略强于其他车型。在本质,特斯拉所采用的感应电机同样有着高电耗的事实,所以最新款的特斯拉车型均更换为永磁+感应电机的混合动力搭配。

不过,在电机稳定性上,感应异步电机表现更佳。因为永磁同步电机本身自带永磁体,所以其必然会面对“高温退磁”的情况,长时间高负荷运行会导致电机内部温度过高,进而导致永磁体磁性下降甚至是消磁。相比之下,感应异步电机则无须担心退磁现象的发生。

电动车动力结构示意图丨首席出行官

电动车动力结构示意图丨首席出行官

在动力性能上,感应异步电机动力性能更强。现阶段,只有少数永磁同步电机的功率可以达到200kW以上,而感应异步电机甚至可以做到300kW+。其主要原因是永磁同步电机受制于永磁体的材料性能,也就是磁力的大小,功率做不了太大。另一方面则受制于电机稳定性,尤其是高温退磁现象,电脑会对电机使用最大功率的时间进行限制。这些都限制了永磁同步电机性能的发挥。

最后在成本方面,同等标准下永磁同步电机的成本会略高于感应异步电机,其核心原因在于永磁体的材质。

电机结构示意图丨首席出行官

电机结构示意图丨首席出行官

要知道,制造永磁体所需的钕铁硼永磁材料是稀土资源,其购入成本自然会高于感应电机。尤其对于稀土资源缺少或稀土工业不发达的国家而言,进口稀土资源无疑直接导致了电机成本的增加。

但在我国的情况却有所不同,中国拥有全球70%的稀土资源,钕铁硼磁性材料的总产量达到全球的80%,所以国内供应商生产永磁同步电机的成本会更低。不过,我国已经将稀土列为战略物资并限制出口,这也致使国际稀土价格进一步提高,让国外永磁同步电机供应商的成本增加。

未来很长一段时间,“感应+永磁”还会是行业标配

其实并不存在孰强孰弱的关系,两种电机拥有着各自不同的特性。车企在选用两种电机的时候也会根据不同定位及需求,选用不同的电机类型。例如,国内中低端电动车均选用永磁同步电机,其根本原因就是其效率更高,电耗更小,进而实现更长的续航里程。而偏高端电动车则更乐意选用感应异步电机,来满足更强的动力性能。

当然,随着永磁同步电机的技术发展,如今这类电机的动力性能在有了明显提升的同时。但是,感应电机无论在性能还是成本上都还拥有不少的优势。所以,如今的高端电动车都选用了永磁+感应的“混搭配方”。

本文来源于亿欧,原创文章,作者:王新宇。转载或合作请点击转载说明,违规转载法律必究。

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