浅析新能源车三大零件之驱动电机 专题三

浅析新能源车三大零件之驱动电机 专题一

浅析新能源车三大零件之驱动电机 专题二

在上一篇推文中，我们分享了电机的不同分类，本文中，我们将对特斯拉和蔚来ES系列所使用的感应电机，以及日系德系车使用的永磁同步电机进行详解，分析其在工业和制造业中的常规应用和优缺点。

感应电机的定义

感应电动机(Asynchronous Machine)又称为交流异步电动机，即可转动的导体——转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩而转动。

异步电动机的转子是可转动的导体，定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。

通过定子产生的旋转磁场与转子绕组的相对运动，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。

当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。

转子的转速总是慢于定子旋转磁场的转速，因此表现为异步运行。由于存在转差率，导体在磁场内做切割磁感线运动，并在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。

这种电动机依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机，代表车型有Telsa以及蔚来ES8等车型。

感应电动机/交流异步电动机

感应电动机的应用

异步电动机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是日常生活中应用最广泛的电动机，为成千上万的机械设备和家用电器提供动力。

工业方面，例如机床、轧钢设备、风机、水泵和矿山机械等，绝大部分都采用三相异步电动机拉动；

家庭生活方面，电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用到了单相异步电动机。

异步电动机在电动车中应用最为广泛，相比直流电动机，它的转速适应范围更广，可以满足车辆高速巡航的需求。

异步电动机实现动能回收也更为容易。车辆滑行或制动时，车轮反拖电动机转动，在这个工况下，电动机可进行发电并将电能回收到电池中，以此延长车辆的续航里程，也就是我们经常说的动能回收。

特斯拉异步电动机

特斯拉MODEL S采用的就是异步电动机。之所以选用异步电机是因为他的抗干扰能力以及高速弱磁区奔跑能力比较强，功率虽然大，结构简单，工作可靠。特斯拉感应电机转子专利技术与焊接鼠笼技术方案相同，将铜条插入了转子槽中，插完之后效果如下图：

特斯拉制造了一组表面镀银的铜质楔子，将这些楔子插入了铜条端部的间隙之中，这样一个机械构造的端环就制造完成。插完楔子之后，在楔子和铜条之间进行焊接，这个焊接要求比焊接方案中端环的感应钎焊成本、难度都低多了。焊接之后，再在两端箍上禁锢环，这个专利用巧妙的方案完成了低成本、高效率的铜芯转子制造，堪称特斯拉的核心技术之一。

单向感应电动机的工作原理，定子通常含有两个绕组，转子为笼型，大多数单相感应电机是单向运行的，这是因为它们在设计时被设为单方向旋转。

三相感应电动机是由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机，属于感应马达的一种。

对大部分不需调速的风机、泵类负载，采用交流调速后，可以大幅度节能，因而对感应电动机进行调速、节能的研究具有重要意义。

感应电机的优缺点

(1) 优点

从结构大小来看，由于感应电机不需要电刷，所以感应电机结构紧凑、体积小、质量轻，与同样功率的直流电动机相比较，效率较高、重量约要轻一半左右，对整车轻量化能做出不小贡献；

从性能方面来看，感应 电机很能够实现超过10000r/min的高速旋转，低速时有高高转矩，以及宽泛的速度控制范围，功率容量覆盖面很广，可以从零点几瓦到几千瓦不等；

从制造成本来看，感应电机制造成本低而且可靠性高，逆变器即便损坏而产生短路时也不会产生反电动势，所以不会出现急刹车的可能性；

(2) 缺点

功率因数滞后，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场；控制复杂，易受电机参数及负载变化的影响；调速性能差，调速性能差。

和感应电动机一样常用的是永磁无刷同步电动机。丰田的Prius系列，奥迪混动Q3和宝马I3使用的就是永磁同步电机。

永磁(无刷)同步电动机的定义

永磁同步交流电机(Permanent magnent Synchronous Machine)是在制造电机转子时加入永磁体，使电机性能得到进一步提升。同步指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。通过控制电机电子绕组的输入电流频率控制电机的转速，进而达到控制车速的目的。

永磁电机定子的永磁材料一般采用“钕铁硼”稀土合金，这种材料的磁能量密度最高。但在高温时，磁性会发生不可逆转的衰退，因此，永磁电机的温度必须控制在150℃以下，在电动机上一般采用强制水冷的方式对永磁材料进行冷却。

永磁同步电机

永磁同步交流电机的优缺点

(1) 优点

从性能角度而言，永磁同步交流电机具有较高的功率密度和转矩密度，能够为电动车提供最大的动力输出和加速度。加上永磁同步交流电机体积小、效率高、能量回馈制动技术高效，可以减少刹车片的磨损，从而增加汽车续驶里程；

从设计角度而言，永磁同步交流电机采用全数字化和模块化结构设计，使得驱动器接口灵活，控制能力强，便于操作；

从维护角度而言，采用永磁无刷电机作为驱动元件的电动汽车驱动系统构简单牢固、易于维护，运行和维修成本低。

(2) 缺点

从成本角度而言，永磁同步电机的造价加高，整套控制系统成本高，且不易装配；

从耐温角度而言，永磁材料在震动、高温和过载电流的环境下，导磁性能会发生较大的退化，导致永磁电动机的性能下降，严重的将损坏电动机。

总结 交流异步电动机和永磁同步电动机的参数比较

我们将交流异步电动机和永磁同步电动机的参数汇总起来，形成如下对比表格。通过参数对比可见，交流异步电动机主要的应用市场在纯电车型，而永磁同步电机则更适合混合动力车型，这也实际体现在各家主机厂的量产选择上。

电机比较