永磁电机和交流电机到底是什么鬼？一文看懂电动汽车驱动电机

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再一次受到汽车小小值邓老编的邀请，这次来给大家科普一些关于驱动电机的知识。之前一期讲的是电动车的使用，一期讲的是电池，那么这一期再来讲一讲电动车上的驱动电机。

俗话说，发动机是汽车的心脏，它将燃料的化学能转化成让车子行进的动力；而对于电动车来说，把电能转换成动能的是驱动电机，这是电动车行驶的动力来源。其实，不仅仅只有纯电动车才用电机，油电混动，以及氢燃料电池车都需要电机来驱动。本文就简单为大家科普一下电机的优势和不同种类电机的异同。

电机驱动好处多，容我一一跟你说

相对于内燃机来说，把驱动电机作为汽车的动力来源是有诸多好处的。首先，驱动电机的转速范围很宽，可以从0到10000多转，这样既不需要离合器（液力变矩器）也不需要变速箱，而且电机本身也比较小，动力系统可以做得简单又紧凑。从总布置的角度来说，没有必要像燃油车似的做个“大鼻子”发动机舱来容纳发动机和变速箱，无论是造型还是车内空间都有更大的发挥余地。（考虑到消费者的接受能力，现阶段的纯电动车造得还是比较像油车的形状，但其实没这个必要）

更爽的是，电机几乎可以从起步开始就输出最大的扭矩，而且在整个中低转速区间始终都有很大的扭矩输出。在起步加速时，电动车的动力优势非常明显，这也是为什么特斯拉、蔚来、比亚迪等电动车可以在百公里加速这个项目上花式吊打同价位的燃油车。

同样，这也是为什么很多鸡贼的“买菜级”电动车喜欢标0-50km/h的加速时间，就是因为电机的动力优势在中低速。对于日常城市驾驶来说，这种中低速下的动力表现其实是更为重要的，而且电机的动力响应通常会更快一些，很多电动车用户表示开了电动车之后就很难再开回油车了，相信动力体验的优势是其中一个重要原因。

其次，驱动电机在效率方面也拥有绝对的优势。我们知道，现在汽油机效率的巅峰不过是40%左右，这还是一个高载荷的理想工况，换句话说就是只有在急加速、长上坡、或者拉满货的情况下才可能跑得出来。而在实际驾驶中，特别是城市道路工况中，汽油机的油箱到车轮（tank to wheel）效率通常连20%都到不了，有强混加持的很省油的车可能做到20%+的水平。

而对于电动车来说，驱动电机的效率几乎在任何情况下都能做到80%以上，高效率的工况可以有90%多。即便考虑到电能在电池充放电过程中的一些损耗，其油箱到车轮效率也可以轻松超过60%，即汽油车的3倍以上。

此外，电机还可以对输出扭矩进行更加精细的控制。特别是对于牵引力控制和弹射起步控制，电机的响应速度要比传统的内燃机快得多，可以更好地榨取轮胎的抓地力。打破世界纪录的苏黎世联邦理工大学的大学生方程式电动赛车，百公里加速仅需1.513秒，这是油车所难以企及的成绩。

打破加速纪录的苏黎世联邦理工大学的电动赛车

驱动电机拆开看，感应永磁哪家强

把电池塞进玩具四驱车里，打开开关，车子就能跑了，对于童年玩过四驱车的剁友们来说，这个过程并不难理解。动手能力比较强（手贱）的可能还拆开过四驱车的马达，能看到里面的定子和转子。四驱车里的马达，尽管和这里说的驱动电机原理不太一样，不过本质上都是把电能转化为机械能的设备。

驱动电机的结构主要分为定子、转子和机械结构三大块 。其基本原理是利用通电线圈（定子绕组）产生旋转的磁场，并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。其中，定子是电机里静止不动的部分，由定子铁芯、定子绕组和机座组成，定子绕组通入三相电之后就会产生旋转的磁场。而转子就是电机中旋转的部件，主要由转子铁芯，永磁体（永磁同步电机）和转子绕组（感应异步电机）组成。

说到这里，根据转子的不同驱动电机就分成了永磁同步电机 和感应异步电机 两种。刚开始接触这两个名词的时候可能很难记住谁是谁，其实这个名字还是挺直观的，永磁同步电机，永远有磁，那么说明转子里有一块“大磁铁”，也就是所谓的永磁体。这个“大磁铁”不是我们中学时学的四氧化三铁，那个磁能积（衡量永磁体储存磁能密度的物理量）太弱了，实际电机里用的永磁体材料是钕铁硼。我知道很多人不知道这字咋念，教大家个诀窍，一般不认识的元素念右半边就对了，所以这就念“女失朋”，哦不对，应该念“女铁朋”。

红圈圈出的是稀土元素

这个钕Nd元素是稀土元素，稀土元素的产能绝大多数都在中国，稳定的稀土供应算是我国电机生产的一个优势。由于永磁体材料含有稀土元素，永磁同步电机的制造成本是比较高的，其中永磁体材料要占到整个电机成本的接近一半比例。尽管成本高一些，不过永磁同步电机更小巧紧凑，效率更高，目前占据了市场的主流。

特斯拉的感应电机

从上图中可以看到，特斯拉的感应电机尺寸很大，几乎是填满了两个车轮间的空间。当然，特斯拉作为电动汽车的先行者，其集成度做得很高，布置得也很巧妙，所以空间利用率做得是比较好的。从蔚来所展示的电机对比中不难看出，蔚来下一代的永磁同步电机在功率接近的情况下，尺寸相较感应电机缩小了很多，小巧的尺寸意味着更轻的重量和更低的布置难度。

蔚来驱动电机展示

有意思的是，比较贵的电动车，特斯拉和蔚来的高端车型用的反而是成本比较低还笨重的感应异步电机，而它们入门款车型以及其他广大平民品牌的电动车则大多用的是永磁同步电机，这又是为什么呢？永磁同步电机千好万好，但有一个致命缺点，就是会有高温退磁问题 。

特斯拉和蔚来早期的车型都把强大的动力性能作为一个优势项目，电机的功率都做得特别大，蔚来ES8是652马力，特斯拉的P100D车型甚至有772马力的狂暴动力！国内外的媒体没少拿这些高性能电动车去和燃油的性能车去PK加速，甚至说会跑去刷赛道圈速，这其实对车子是很大的考验，在大几百马力的全功率输出下，电机的发热量是很可观的。而钕铁硼在温度100多度的情况下就会开始出现退磁现象，如果永磁体长时间处于高温状态，那么会造成永久的不可逆的退磁。

不过话说回来，近年来特斯拉和蔚来也开始逐步改用永磁同步电机，性能同样非常强，也没少刷圈，这说明退磁问题应该是得到了一定程度的解决。特斯拉Model3的四驱版，蔚来ES6的中高配版本，不约而同地采用了永磁同步电机和感应异步电机“混搭”的组合（特斯拉是前异步后永磁，蔚来是前永磁后异步），以便同时满足高性能和高效率的需求。

永磁同步电机占据市场主流的最主要的原因我认为还是效率更高。现阶段由于电池的能量密度还不够高，续航里程仍是电动车用户的痛点，所以消费者们都希望电动车能跑得更远。永磁同步电机的效率相对感应电机更高，特别是频繁加减速的瞬态工况，效率差距会更明显。以蔚来为例，前后都是感应异步电机的ES8工信部续航只有355公里，上市后被诟病得很惨。而之后将前电机替换为永磁同步电机的ES6，在加速性能几乎没有下降的前提下，同样电池续航增加了20%，达到了430公里。当然，ES6更小的尺寸和更轻的重量同样为更远的续航做出了贡献。

在乘用车领域，永磁同步电机已完全成为了市场主流。相比较而言，永磁同步电机的功率密度更大，尺寸小重量轻，效率高振动小，缺点在于成本较高，以及高温时的永磁体退磁问题。感应异步电机的优势在于成本低、工艺简单，同时还能承受大幅度的温度变化，而缺点是体积重量大，效率低，除特斯拉、蔚来等少数乘用车用之外，主要用于对空间要求较低的电动客车、物流车以及载货车等车型中。

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技术｜四款不同类型的驱动电机对比与介绍

作为电动汽车三大件中的动力系统，电机在电动汽车中的地位无疑是举足轻重的，它的表现还直接决定了电动汽车的性能，所以对于驱动电机的选择就显得尤为重要。目前市面上比较流行的电动汽车电机主要有三类，一是无刷直流电动机，二是交流异步电动机，三是永磁同步电动机等等。根据电动机的驱动原理，下面新能君为大家介绍一下常见的四种驱动电机。

一、曾经的主流：直流电动机

法拉第及其发明的直流电机

凭借着控制装置简单、成本较低等特点，在电动汽车发展早期，直流电动机成为了很多电动车制造厂的首选方案。但同时直流电动机的本身的缺点也非常突出，首先电刷和机械换向器等组成了其自身较为复杂的机械结构，同时还制约了它的过载能力和电机转速。

而且在长时间高速大负荷下运行时，换向器表面还会有火花的情况出现，以上这些因素都会影响到整车性能。随着碳刷的磨损，如果不及时进行保养维护，电动机的可靠性和寿命都会有所降低，目前的电动汽车已经将直流电机基本淘汰。

二、忧喜参半：交流异步电动机

特斯拉及其发明的感应电机

交流异步电机是当今工业中主流电机之一，它也叫感应电机，它同样拥有结构简单，耐用可靠，维修方便等优点。说起感应电机就必须提到其发明者特斯拉，一般其定子铁心上埋有三相交流绕组，转子由铁心和短接的笼型绕组组成，当定子绕组中通以三相交流电时，将产生一合成的空间同步旋转磁场，切割转子绕组，从而在转子笼型绕组中生成电流，该电流又会受到磁场的作用而产生电磁力，驱动转子旋转。因为其定、转子之间没有相互接触的机械部件，所以结构上较为简单，加上免去了磨损部件，运行也更加可靠。与直流电动机相比，交流异步电机的功率更高，质量还轻了二分之一左右。

但在高转情况下电机的转子会出现发热严重等问题，为了保证电机的冷却，异步电机还需要配备冷却系统，这也导致了成本偏高。另外运行时还需要变频器提供额外的无功功率来建立磁场，故与稀土永磁电机和开关磁阻电机相比，异步电机的效率和功率密度偏低。所以，目前新款的特斯拉Model 3已经改用永磁同步电机作为驱动电机了。

　三、综合性能优异：永磁同步电机

按电动机定子绕组的电流波形的不同，可分无刷直流电机和永磁同步电机两种类型，这两种电机在结构和工作原理上大体相同，转子都是永磁体，减少了励磁所带来的损耗，定子上安装有绕组通过交流电来产生转矩，所以冷却相对容易。由于这类电机不需要安装电刷和机械换向结构，工作时不会产生换向火花，运行安全可靠，维修方便，能量利用率较高。

相比于交流异步电机的控制系统，永磁式电动机的控制系统更加简单。但是由于受限于永磁材料的限制，在高温、震动和过流等极端条件下，转子永磁体会产生退磁现象，所以在相对复杂的工作条件下，永磁式电机容易发生损坏，加上永磁材料高价和稀土资源的紧缺，导致了整个电机及其控制系统成本较高。

四、未来发展的大方向：开关磁阻电机

相比于其它类型的驱动电机， 开关磁阻电机是一种新型电机，其只有在定子侧装有简单的集中绕组，转子上并没有绕组，所以结构相对较为简单。定子和转子均为硅钢片叠压而成的双凸极结构，具有结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、易于维修等优点，很适合作为电动汽车的驱动电机使用。

开关磁阻电机的缺点在于有转矩波动大、需要位置检测器，控制系统复杂，对直流电源会产生很大的脉冲电流等缺点。其次开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声等问题。

总结：中国是世界上稀土永磁材料储量最具丰富的国家，而对于体积相对较小的新能源乘用车来说，目前国内大多数车企还是采用功耗较低、制造成本较高的永磁同步电机为主。而其中具备自主研发电机能力的仅有北汽新能源、比亚迪汽车、蔚来汽车三家，不少企业只能依赖供应商模式。不过随着新能源车爆发式的增长，市场对于新型的具有高性能、安全可靠、低成本的电机产品的需求将不断增长，未来具备电机自研能力的企业将会越来越多，让我们拭目以待一下吧。

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