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

本文由什么值得买用户原创：airstream

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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电机控制与驱动，卷出新高度

过去一年，半导体市场经历了前所未有的下行冲击。展望未来一年，越来越多机构和行业人士预测市场即将回暖。要说今年哪个领域最卷？那一定是电机驱动。

全球行业趋势显示，预计市场对电机驱动的运动控制系统的需求将显著增长。国际能源署（IEA）报告显示，工业用能占全球总能耗的37%，占全球二氧化碳排放量的24%，建筑和楼宇用能占全球总能耗的30%，占全球二氧化碳排放量的28%，能源消耗中的很大一部分与电机相关。据估算，约70％的工业电力用于为电机供电。在商业楼宇中，38％的电能消耗用于驱动电机。

而电机不止在工业中，在新能源汽车甚至消费电子等领域正得到更多的应用，从更好用的电吹风，到更舒适的电动汽车，无数新体验都是由电机创新所带来的。快速增长的电机驱动市场也对电子设计与芯片性能提出了更高的要求，例如高可靠性、更加全面的保护与诊断功能、智能化、灵活性等方面。

近期，一些芯片厂商都先后推出各类电机控制及驱动类产品，本文盘点了最近芯片巨头们的动向，以窥探整个电机驱动市场的发展。也许并不全面，如有补充还请多多指教。

德州仪器（TI）

TI在电机界是真正的扛把子，控制器、驱动器、信号链等产品都非常优秀。今年，电机控制器王者C2000升级推出了TMS320F28P650DK，具有 2 个 C28x+CLA CPU、1.28MB 闪存、16 位 ADC、HRPWM、EtherCAT、CAN-FD、AES 和、锁步功能的 C2000 32位MCU。P系列的命名，也意味着C2000更强调其高性能的特点，在白皮书里更是直接写出了提供相当于1000 MHz Arm Cortex-M7 的实时信号链性能。

另外，TI今年也推出了采用Cortex M0+的MSPM0，低功耗、低成本。

此外，包括各类栅极驱动器，带传感器的电机驱动器等产品也都是应有尽有。

今年看到有两个比较有意思的产品，一个是用于超声波镜头清洗的可配置 DSP ULC1001，具有电流和电压检测及 PWM 输出，专用于基于压电效应的镜头清洗系统。ULC1001 和 DRV29xx 共同创建超声波镜头清洗系统。

另外一个则是为Dot公司推出的Dot Pad盲人阅读器提供电机驱动。盲文平板电脑并非新事物，但 Dot Pad 将这个想法提升到了一个新的水平，它拥有一个由 2400 个点组成的 30×10 单元格的大面积区域，这些单元格实时变化以反映来自配对 iPad 或 iPhone 的图像。还有一个带有 20×1 单元格的较小区域。TI的电机驱动可以执行这些点位上的微型装置，从而将凸起构建成具象可触摸的图形。

亚德诺半导体（ADI）

尽管ADI在电机控制方面产品不多，但是其提供的信号链解决方案集成了卓越的精确反馈、电流感应、隔离、电源管理和连接技术，可以提供整体的智能运动解决方案。另外，自从收购了美信之后Trinamic的产品也正在逐步加强ADI在电机控制上的积累，今年进博会上ADI就演示了Trinamic的产品。

今年，ADI一直在宣传其应用于电机的预测性维护解决方案。很早以前，ADI就看到电机预测性维护的市场潜力，2018年开始陆续收购包括OtoSense以及Test Motors在内的预测性维护软件和平台供应商，并通过ADI的整合，将不同的产品整合为一个完整的智能电机传感器解决方案（Smart Motor Senor, SMS）。

该方案由三部分组成，首先是硬件平台，内部集成了ADI的振动和温度传感器，以及信号链等产品，负责收集电机的运行状态。其次，是ADI开发的一套预测性维护算法，目前支持包括转子、定子、轴承、平衡度、冷却系统、支撑脚松动等等故障算法，这些算法已经部署到了云端，与边缘的数据连接通过安全MQTT进行，并支持OTA更新。另外则是一套运行于手机或电脑端的HMI，以图表的形式展现健康指数，并提供运维指导。同时，为了与智能工厂的平台相融合，ADI也开放了API接口。

微芯（Microchip）

Microchip日前推出了AVR EB系列微控制器，以降低 BLDC 应用中的噪声、振动和系统恶劣性的影响。从历史上看，实现这些优势需要复杂的控制算法和波形，而这超出了成本优化控制器的能力范围，但是Microchip利用AVR EB强大的核心独立外设 (CIP) 与强大而高效的 AVR CPU 内核相结合，创建了一个能够驱动高精度系统、优化系统性能并降低 BOM 成本的8位MCU 系列。

笔者非常喜欢Microchip的电机控制解决方案，其PIC /AVR/SAM微控制器和 dsPIC 数字信号控制器(DSC)可以实现高级的电机控制功能，且非常的高效并且成本不高。更重要的是Microchip围绕电机打造了非常丰富的生态系统，Arduino只是其中之一，另外还包括开发套件，软件开发、评估和模拟仿真，以及各种应用手册和培训教程。另外，广泛的合作伙伴网络和代理，以及在线论坛答疑等等都是该公司的特色。

如图所示，除了主芯片之外，Microchip还包括单芯片电机驱动、门极驱动等丰富的产品，以应对不同的电机种类。

意法半导体（ST）

意法半导体在MCU和功率器件领域是绝对王者，如果说Microchip的成长算一个励志故事，笔者认为，意法半导体在MCU领域成长的故事已经成为了一个神话。

如图所示，应对不同种类的电机，意法半导体都有相应的处理器产品。

STM32的生态系统已经无需多言了，各种电机开发相关内容都可以随便从网上找到，只有想不到，没有找不到。今年ST推出了宇宙级性价比Cortex-M0+的STM32C0，其口号就是激进地替代8位MCU，十分推荐在低成本电机控制内使用。另外，则是推出高性能，采用Cortex-M33内核的STM32H5，可以在很多场景作为H7的平替，同时具有更好的安全性。

最近，意法半导体一直在推广其Zest软件算法，这是一种通用解决方案，可为任何类型的永磁同步电机提供零速最佳无传感器控制。为了实现这一目标，STM32 ZeST 算法与新的高灵敏度观察器 (HSO) 算法无缝运行，以无传感器模式控制电机。作为嵌入式软件解决方案，STM32 微控制器中不需要额外的硬件或特殊外设。

今年，意法半导体在STM32峰会上也介绍了利用STM32的AI技术，实现电机驱动优化的示例，相信AI也将成为未来电机控制的热点话题。

另外意法半导体出名的产品系列就是其STSPIN。意法半导体近日发布了STSPIN9系列大电流电机驱动芯片，先期推出两款产品，应用定位高端工业设备、家电和专业设备。

其中4.5A STSPIN948 和5.0A STSPIN958 集成PWM控制逻辑电路和58V功率级，以及系统保护功能和两个电流检测运放，适合驱动直流有刷电机和双极步进电机。

意法半导体车规级电机控制产品，主要是通过其SPC5 32位Power架构的MCU。

瑞萨（Renasas）

瑞萨是MCU一哥，日系半导体老大。随着它收购了几家欧美公司之后，公司越来越面向全球化。

今年五月，瑞萨向电机控制应用领域发布三个全新MCU产品群，其中超过35种来自于RX和RA家族的新产品。这些新款MCU扩充了瑞萨包括多种MCU与MPU、模拟和电源解决方案、传感器、通信设备、信号调节器等的卓越电机控制产品组合。

瑞萨推出两款基于ArmCortex-M的RA家族的全新MCU产品群。其中，RA4T1产品群可提供100 MHz性能，以及高达256KB的闪存和40KB的SRAM；全新RA6T3产品群工作频率为200MHz，同时提供256KB的闪存和40KB的SRAM。两个全新产品群均以电机控制应用为目标应用，具备一系列卓越特性与功能，包括用于加速的三角函数单元（TFU）、带有集成PGA的先进ADC，以及包括CAN FD在内的多种通信接口选择。瑞萨灵活配置软件包（FSP）均可支持这些新产品，可轻松移植其它RA产品的设计。

此外，瑞萨还推出RX产品家族的全新RX26T产品群，其工作频率为120MHz，具有高达512KB的闪存和64KB的SRAM。它们不仅可支持5V电源，提供高抗噪能力和控制精度，而且还能够提供TFU、片上定时和中断控制功能。使用热门产品RX24T MCU的用户，可轻松将其设计扩展至全新的RX26T产品，以充分发挥现有设计软件的优势，同时实现性能与控制效率的双重提升。

通过MCU、模拟和电源器件以及更广泛的开发套件和软件甚至系统级方案。

而针对车用市场，瑞萨发布了新的路线图。

未来车用电机控制除了RL78和RH850之外，R-CAR也将有32位MCU来执行一些复杂的电机控制。

英飞凌（Infineon）

英飞凌主要的电机控制和驱动产品是iMOTION系列，由iMOTION控制器、iMOTION驱动器和iMOTION IPM（智能功率模块）组成。

借助英飞凌在功率和MCU领域的多重优势，英飞凌在家电等市场构建起了自己独特的护城河。

最近几年，英飞凌推出了MOTIX系列嵌入式电源IC，将栅极驱动器、微控制器、通信接口和电源集成在单个芯片上，从而实现最小的片上系统解决方案。

恩智浦（NXP）

恩智浦的电机控制类产品历史非常之悠久，包括了S08, KV, KE, i.MX RT以及DSC等非常丰富的产品线，广泛应用于家电等市场中。

针对汽车市场，恩智浦S32平台今年推出了多款新品，最主要的是S32M2。S32M2系列专为12V电机控制应用而设计，基于系统级封装(SiP)设计，集成了高压模拟功能(MOSFET栅极预驱动器、LIN/CAN FD物理通信接口和稳压器)和强大的嵌入式MCU内核（Cortex-M4/M7系列内核），确保高性能和符合ISO26262的功能安全，可达ASIL B。S32M2关注系统级成本，集成了稳压器、脉宽调制器、模数转换器、定时器和非易失性存储器。

另外，恩智浦推出为中国市场量身定制的C-line系列产品，在本地化的供应链体系中，提供出色的产品质量，首款产品为C9KEA，采用低功耗Arm Cortex-M0+内核和8-128KB嵌入式闪存。

写在最后

电机控制与驱动技术是当代工业和汽车自动化、智能化的核心技术之一，对于提高生产效率、降低能源消耗、改善产品质量具有重要意义。随着科技的进步和工业的发展，电机控制与驱动技术也在不断地创新和发展。

对于电机控制技术而言，作为电机驱动系统的核心，它直接影响到电机的运行效率、性能和稳定性。

通过各家厂商的产品，我们清楚地看到，数字化控制技术、矢量控制技术以及智能控制技术是控制器发展的重点方向。

电机驱动技术是实现电机运行的关键环节，它与电机控制技术紧密相关，随着第三代半导体功率器件的广泛引入，更复杂的电路拓扑结构以及先进的调制策略，使电机驱动也要有相应的创新与其匹配。动态宽调速范围、多电平驱动、智能化驱动等也给电机驱动带来了新机遇。

总而言之，在高集成度、高精度、高可靠性和易于实现的复杂控制算法等要求下，电机控制和驱动芯片供应商正在进行着不断的创新。

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