电动汽车的电机选择:同步、异步与永磁电机

电动汽⻋所使用的同步、异步和永磁电机类型在效率、成本和扭矩控制方面的工程比较.
电动汽⻋所使用的同步、异步和永磁电机类型在效率、成本和扭矩控制方面的工程比较.

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电动汽车使用三种主要电机类型:永磁同步电机 (PMSM)、异步(感应)电机和外励磁同步电机 (EESM).PMSM 提供最高的效率和功率密度,异步电机以坚固耐用和无磁铁著称,EESM 则凭借精确的扭矩控制脱颖而出;选择哪种电机是在效率、成本和稀土依赖之间做出的工程决策.

亮点

  • PMSM 峰值效率 95%-97%;异步电机 90%-93% 区间内运行.
  • 看似 5%-7% 的效率差距,反映到电池尺寸上时会放大成本差异.
  • 现代电动汽车中最常见的电机是永磁同步电机.
  • Tesla Model 3 和 Model Y 采用将磁阻扭矩与磁铁扭矩相结合的混合设计.
  • 制造商正在快速开发减少稀土金属使用的电机替代方案.

电机的物理原理:旋转磁场如何产生扭矩?

所有驱动电机都基于相同的物理原理.通电的导体会产生磁场;该磁场的变化会在附近的导体中感应出新的电流.作用于旋转部分的洛伦兹力垂直于磁场和运动方向,从而驱动转子旋转.电机类型之间的差异在于磁场的来源以及转子如何与旋转场建立关系.

每种电机都有两个基本部件:静止并由三相交流电供电的 定子 和旋转的 转子.定子产生一个频率由逆变器决定的旋转磁场.转子是与该磁场同步还是略微滞后,决定了电机的类别.

异步(感应)电机:坚固、廉价、无磁铁

异步电机的转子采用"鼠笼"结构,由嵌入铁芯中的铝条或铜条构成.定子的旋转场在转子导条中感应出电压和电流;这些电流产生的自身磁场与定子磁场相互作用,从而产生扭矩.转子永远追不上旋转场:其转速总是略低,这一差异称为 转差 (slippage).没有转差,就既没有感应,也没有扭矩.

这种结构的优势是实实在在的:没有永磁体,没有滑动触点,因此维护需求低,制造成本合理.电机坚固耐用.但其效率落后于同步设计,尤其是在部分负载和低速时;转子上的电流感应意味着持续的损耗.速度控制也不太精确,并且必须使用变频器来控制电机.

Tesla 较早的 Model S 和 Model X 车型以异步电机著称;一些早期版本在前轴使用异步电机,后轴使用永磁电机.而在整个行业中,由于铜价上涨和效率差距,异步电机的份额正在缓慢但稳定地让位于同步设计.

同步电机:转子随磁场一起旋转

Senkron motorlarda rotor, statorun manyetik alanıyla eşzamanlı döner; PMSM tasarımları yüksek verimleriyle modern elektrikli otomobillerin tercih edilen çözümüdür.

同步电机中,转子以与定子旋转磁场相同的速度旋转;电机转速直接取决于定子电流的频率.这种锁定带来了高效率、高功率密度、精确的速度控制和良好的动态表现.大众的MEB平台以及奥迪、Škoda和保时捷Taycan等车型均采用同步电机系列.然而,"同步"并非单一设计;根据磁场的来源,它可分为两类.

永磁同步电机(PMSM):为何成为主导技术?

在PMSM中,嵌入转子的永磁体无需外部励磁即可产生稳定而强大的磁场.由于无需感应转子电流,其效率潜力很高;峰值效率93%-95%至95%-98%之间的区间与已报道的数据相符.数值差异源于测量和定义的不同:哪个转速和负载点算作"峰值",各厂商的定义不一.真正重要的不是峰值数值,而是在绝大多数典型车辆使用工况下,PMSM都能保持在高效率区域——在中低速下,其效率和功率密度都明显占优.

但效率是有代价的:稀土磁体是PMSM的主要成本因素.此外,它还面临高温退磁风险;因此热管理在设计上至关重要.BMW i3、大众ID.3和ID.4以及新一代日产Leaf都是使用PMSM的知名例子.

内置式(IPM)设计:磁体为何置于转子内部?

在IPM电机中,磁体并非置于转子表面,而是嵌入转子内部.这种布局能更好地利用磁通,提高功率密度,拓宽可用转速范围,并降低对退磁的敏感性.代价是转子制造工艺复杂.保时捷Taycan的后轴与奥迪 e-tron GT 便是这一设计的实际应用.

externally excited synchronous motor (EESM): 无磁体的同步方案

在EESM中,转子的磁场不是由永磁体产生,而是由独立的绕组和额外的电源产生.这给了工程师巨大的操作空间:转子磁场强度可根据运行工况调节,扭矩-转速控制非常出色,并且能在弱磁区域获得宽广的转速范围.其效率略逊于PMSM,设计也更复杂;传统应用中需要滑环或电刷.由于它摆脱了对稀土的依赖,如今重新受到关注.

磁阻电机:无绕组、无磁体的转子

磁阻电机的扭矩源于一个非常基本的趋势:磁通总是选择磁阻(磁阻)最小的路径.转子会朝着这个低磁阻位置旋转,从而产生扭矩.转子上既没有绕组也没有磁体——因此既不涉及稀土,也不存在转子损耗.它有两种主要类型:开关磁阻电机(SRM)和同步磁阻电机(SynRM).

成本在于控制端:控制电子技术复杂,且SRM中噪声与扭矩波动较为明显.尽管如此,其在成本和可持续性方面的优势十分可观;随着控制电子技术的发展,这类电机有望得到普及.一项学术评述强调,SRM凭借低重量、高可靠性和容错能力,适合用于EV.

该领域最有趣的应用则是混合方案:Tesla Model 3 和 Model Y将永磁扭矩与磁阻扭矩相结合.Hyundai Kona Electric 同样基于磁阻技术.将磁阻与内置永磁体相结合的SRIPM设计,使用比PMSM更少的磁体,从而降低成本和对稀土的依赖;虽然PMSM在峰值效率和高速下领先,但SRIPM在各种工况下均衡、稳健且具有成本效益.

效率与性能:用数字进行比较

效率数字本身具有误导性;真正的问题在于,电机在车辆实际使用工况所在的低中速区间内效率如何.下表概括了三种主要电机类型的特性.

特性异步电机PMSMEESM
峰值效率90%-93%(部分测量为90%-95%)93%-98%,典型值95%-97%略低于PMSM
转子磁场来源感应电流永磁体外部绕组
稀土不需要需要(钕、镝)不需要
坚固性 / 维护非常坚固,维护成本低良好;对温度敏感设计复杂
弱点部分负载时效率下降成本、退磁风险设计复杂、集电环

需要正确把握数字的尺度:看似5%-7%的效率差异,一旦反映到为保持相同续航所需的电池尺寸上,就会被放大.有一个具体的例子可以说明PMSM在这方面做得有多好—— Model 3的磁体-磁阻混合电机, 以 75 kWh 电池实现了与 100 kWh 容量的Model S 100D 相当的续航.相比之下,异步电机也有其独特的效率角色:AWDModel 3

前轴上的异步电机在无需介入时实际上可以不消耗电力地自由旋转,这为全轮驱动车辆带来了意想不到的续航优势.

稀土依赖:重塑行业格局的问题

PMSM的市场主导地位与材料地理格局紧密交织.稀土元素的供应很大程度上掌握在单一国家手中;这种依赖性促使制造商在两个方向上采取行动.IEEE Spectrum所概括的第一种思路是开发不含稀土的永磁体(例如铁基替代品);第二种是转向完全无磁体的电机类型——异步电机或磁阻电机. 最高达50% 正在开发稀土金属含量更低的电机.面对中国的出口限制,印度加速了对高密度磁阻电机的测试,这种电机不用磁体,而是通过紧密缠绕的金属线圈产生磁力.有趣的是,在效率与材料成本之间的这一张力中,市场仍在持续投资永磁电机:高功率密度和高扭矩密度,目前足以抵消其成本劣势.

逆变器和电力电子:真正决定电机特性的是什么?

电池输出直流电(DC),而驱动电机则需要交流电(AC)供电.两者之间的转换由逆变器完成;通过PWM(脉宽调制)产生平滑的交流输出,电机的高效运转取决于这一输出的质量.逆变器上的每一项进步都直接体现在续航、性能和成本上.行驶时听到的高频啸叫声,也恰恰来自这种高频开关.

逆变器还使多电机车辆的扭矩矢量控制成为可能:每台电机由独立的逆变器控制,扭矩在车轴之间精确分配.基于SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)的电力电子可提供更高的开关频率、更低的损耗和更高的效率.另一方面,高压架构在电机侧也有代价:工作在800 V及以上的电机更容易发生局部放电,这可能对绕组绝缘造成不利影响.行业的发展方向是集成化——发卡式绕组、油冷,以及将电机、变速箱和电力电子整合为单一单元的集成驱动单元.

哪种电机用在哪辆车上:如何做出选择决策?

电机选择并非寻找唯一的"最佳"方案,而是一个确定优先级的问题:

  • 以续航和效率为优先的车辆: PMSM或IPM;在中低速区域的出色效率足以弥补电池成本.
  • 以性能和精准控制为优先的车辆: 同步电机系列;高功率密度和良好的动态表现是决定性因素.
  • 多电机四驱车辆: 后轴采用永磁电机、前轴采用异步电机的组合;中低速时由永磁电机提供效率,未使用的异步电机则带来近乎为零的拖曳损耗.
  • 面临供应链风险的制造商: EESM或以磁阻电机为主的设计;可消除对稀土的依赖.

结论是一个明确的工程权衡:PMSM因目前在效率和紧凑性上处于巅峰而占主导地位,异步电机凭借其坚固性和无磁体特性在特定角色中继续存在,而EESM和磁阻设计则因性能和供应安全两方面的理由而日益兴起.查看一辆电动车的续航数据时,询问电机的类型与询问电池的容量同样重要.

参考资料