今日觀點(diǎn)!純電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)里，藏著哪些秘密？

燃油車時(shí)代“三大件”，即底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱。純電動(dòng)車時(shí)代“三電”成為新的關(guān)注點(diǎn)，但“三電”中，往往大家最關(guān)心的還是BOM成本占比最大的電池。

諸如電池包的容量、續(xù)航里程、三元鋰還是磷酸鐵鋰這些信息。

(相關(guān)資料圖)

對于電機(jī)，我們往往只需知道功率數(shù)值即可，對比燃油車上發(fā)動(dòng)機(jī)的地位，電機(jī)的關(guān)注度可謂直線下降。

但其實(shí)就像燃油車時(shí)代，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸布局有直列、V型、水平對置的區(qū)別，不同的排布決定彼此不同的性能。

在純電動(dòng)汽車上，電機(jī)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(jī)和交流異步電機(jī)，它們都有什么不同呢？

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

而交流異步電機(jī)應(yīng)用的較少，且目前多搭載的四驅(qū)純電動(dòng)車的前軸上，為什么這么布置呢？

我們先看下什么是電機(jī)？其實(shí)電機(jī)的誕生時(shí)間比內(nèi)燃機(jī)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(fā)明第一臺四沖程內(nèi)燃機(jī)，以及第一輛汽車之前半個(gè)多世紀(jì)。

△法拉第1821年實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型

1821年，大名鼎鼎的法拉第就攢出了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)電機(jī)的模型，并證明電可以做工，以及于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

讓我們來復(fù)習(xí)下初中物理：閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

而基于電磁感應(yīng)原理，尼古拉·特斯拉發(fā)明了又三相交流電，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的定子磁場，進(jìn)而用旋轉(zhuǎn)磁場的方法發(fā)明了交流感應(yīng)電機(jī)。

現(xiàn)在新能源汽車上的永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上就可以簡單分為兩塊。

一個(gè)是固定的“定子”，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)的“轉(zhuǎn)子”，兩者的組合如上圖。

在電機(jī)中，當(dāng)定子通電即產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場將切割定子中的轉(zhuǎn)子，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流。

而產(chǎn)生感應(yīng)電流的轉(zhuǎn)子本身又在定子旋轉(zhuǎn)磁場中將產(chǎn)生電磁力，進(jìn)而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，從而把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

這種通電導(dǎo)體（產(chǎn)生感應(yīng)電流的轉(zhuǎn)子）在磁場中受力運(yùn)動(dòng)的過程中也就是電機(jī)的工作原理。

這也基本就是交流異步電機(jī)工作原理，即交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子纏繞有大量繞組線圈，產(chǎn)生感應(yīng)電流進(jìn)而在磁場中旋轉(zhuǎn)。

所以交流異步電機(jī)又被成為交流感應(yīng)電機(jī)。

△交流異步電機(jī)

另外交流感應(yīng)電機(jī)為啥還稱交流異步電機(jī)？是因?yàn)榫€圈繞組的轉(zhuǎn)子和定子的旋轉(zhuǎn)磁場始終存在速度差。

因?yàn)閮烧咿D(zhuǎn)速相同后，就不存在轉(zhuǎn)子切割磁感線運(yùn)動(dòng)了，那么也就沒有感應(yīng)電流存在了，沒有感應(yīng)電流轉(zhuǎn)子就沒了感應(yīng)磁場，那就轉(zhuǎn)子就不轉(zhuǎn)了。

但是，轉(zhuǎn)子一停，切割磁感線運(yùn)動(dòng)又出現(xiàn)了，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)和定子旋轉(zhuǎn)磁場總是差上一步，所以才叫“異步電機(jī)”。

永磁同步電機(jī)的不同在于，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子本身就是永磁體。

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

而因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子旋轉(zhuǎn)磁場始終同步，永磁同步電機(jī)電機(jī)功率密度、扭矩密度、低速大扭矩輸出的響應(yīng)也都更好，也更易控制，因?yàn)橹灰刂贫ㄗ拥碾娏黝l率大小，即可控制轉(zhuǎn)速。

相比起交流異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)也省去中間的轉(zhuǎn)子感應(yīng)帶電進(jìn)而再產(chǎn)生磁場的過程，還提升了能量轉(zhuǎn)化效率。

交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)是通過在轉(zhuǎn)子上線圈繞組產(chǎn)生的，線圈繞組其實(shí)會帶來電阻損耗。

△永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，也沒有了線圈繞組也就沒有了這部分損耗產(chǎn)生。

另外，永磁同步電機(jī)采用永磁體轉(zhuǎn)子，而非線圈繞組感應(yīng)轉(zhuǎn)子，一般體積也比較小，再加上能量轉(zhuǎn)化效率高在續(xù)航表現(xiàn)上的優(yōu)勢。

所以從目前應(yīng)用上永磁同步電機(jī)占比非常高，從入門級到百萬級都能看到它的身影。

根據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所的數(shù)據(jù)，永磁同步電機(jī)2021年的裝車量占比高達(dá)94%。

那么永磁同步電機(jī)這么好？交流異步電機(jī)的優(yōu)勢是什么？

可以說，永磁同步電機(jī)的劣勢，就是交流異步電機(jī)的優(yōu)勢。

首先永磁同步電機(jī)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(jià)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(jī)將完全不使用稀土材料。

而在永磁同步電機(jī)中，永磁體要占整個(gè)電機(jī)成本的一半左右，相比之下用不到永磁體做轉(zhuǎn)子的交流異步電機(jī)成本就低很多。

此外，永磁同步電機(jī)還存在一個(gè)問題，高速狀態(tài)下電機(jī)需要進(jìn)行弱磁控制，也就是生成一個(gè)逆向磁場來削弱永磁體的磁場，這會降低電機(jī)高速效率。

而交流異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁場是感應(yīng)產(chǎn)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?yàn)楦邷貢豢赡娴南拧?/p>

所以在電機(jī)高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載情況下，永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)就沒了優(yōu)勢了。

這是正是為什么多數(shù)只采用永磁同步電機(jī)的純電動(dòng)車，極速性能往往限制在180km/h左右。

保時(shí)捷taycan雖然采用前后永磁同步電機(jī)，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(gè)問題。

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

這種方案既能保證低速狀態(tài)下的動(dòng)力響應(yīng)、能耗等，也能保證高速性能。

除了永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)，現(xiàn)在還有一些廠家使用勵(lì)磁電機(jī)，這又有什么不同？

其實(shí)勵(lì)磁電機(jī)的核心是用電勵(lì)磁線圈代替了永磁鐵，和交流異步電機(jī)中感應(yīng)帶電的轉(zhuǎn)子線圈繞組。

而通過直接調(diào)整線圈的電流就可以改變磁場強(qiáng)度，相當(dāng)于功率輸出與勵(lì)磁電流直接相關(guān)，根據(jù)運(yùn)行工況提供合適的勵(lì)磁即可。

勵(lì)磁電機(jī)對于電機(jī)功率輸出控制也更為線性，低速性能優(yōu)異，高轉(zhuǎn)速下也可以做到穩(wěn)定、持續(xù)的功率以及扭矩輸出。

△勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

此前體驗(yàn)過搭載勵(lì)磁電機(jī)的純電動(dòng)車，確實(shí)高速狀態(tài)下依舊也能感受到非常充沛的動(dòng)力輸出，讓人快感不減。

不過，勵(lì)磁電機(jī)聽起來似乎比永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)都要好。

但勵(lì)磁電機(jī)需要一個(gè)滑環(huán)碳刷裝置將勵(lì)磁電流引入，也就是電刷，這一裝置又會磨損產(chǎn)生粉塵對電機(jī)有影響。

而目前用勵(lì)磁電機(jī)的有日產(chǎn)和寶馬，即日產(chǎn)艾睿亞和寶馬i3、i4產(chǎn)品上。

寶馬 iX M60是最早應(yīng)用這一技術(shù)的，搭載前后雙勵(lì)磁同步電機(jī)的BMW iX M60最高時(shí)速250公里/小時(shí)，運(yùn)動(dòng)模式下峰值扭矩可以達(dá)到1015牛·米。

此前寶馬也宣稱其勵(lì)磁電機(jī)采用耐磨電刷，為自研的加工技術(shù)與石墨復(fù)合材料打造有更久的壽命，但實(shí)際如何也要看最終表現(xiàn)。