电动汽车驱动电机种类与性能分析（新能源汽车驱动电机行业研究）

电动汽车驱动电机种类与性能分析（新能源汽车驱动电机行业研究）1）功率密度高：永磁同步电机的钕铁硼磁性材料具备优秀的磁力性能，在充磁后不用增加外部能量，可构建较强磁场，同时磁场具有永久特点，无需额外电路进行励磁（即给导体通电产生磁场），得以维持较小的体积和较轻的重量。在额定功率下，同样散热条件和绝缘材料的永磁同步电机的功率密度通常比感应异步电机的功率密度大 2 倍以上。永磁同步电机的主要优势在于，功率密度高、运行效率高、结构简洁紧凑、转矩大且平顺、调速性能好。定子绕组接入交流电源（通常是三相交流电，三相交流电与空间角度120°的线圈相结合，它们的合成磁场就像是一个强度均匀的磁场在旋转），形成旋转磁场，拉动转子旋转。永磁同步电机的转子由铁心、磁钢、轴压装而成，其中磁钢提供电机磁通，对电机性能影响最大，通常由稀土钕铁硼经粉末冶金法制成。早期的电机中永磁电机非常少见，主要是因为缺乏磁性足够强大的永磁体。1982年，住友特殊金属的佐川真人发现钕磁铁。这种磁铁

技术路径：永磁同步电机的装车占比达94%

早期新能源汽车的驱动电机多采用直流电机，一方面是因为直流电机具有控制策略简单、调速性能好、成本低等优点，另一方面是由于交流电机的控制技术复杂、成本较高。直流电机的速度正比于电压，易于控制；而交流电机的速度正比于频率及磁极数，控制技术要求较高。

但是，直流电机存在一些固有缺陷，在交流电机的技术取得实质性进步后，直流电机目前已处于被淘汰的边缘。 1）有刷直流电机：电刷在有刷直流电机中起电流换向的作用。在实际使用中，电刷磨损很快，经常需要维护，同时换向火花限制了电机的高速运行，对电机的稳定性和安全性也构成了威胁，这些问题都难以克服。2）无刷直流电机：无刷直流电机的电压波形和电流波形是矩形波或梯形波，伴随着较大的转矩脉动，在汽车行驶中有明显顿挫感，对用户体验构成负面影响。交流电机的波形则通常是正弦波，转矩更加平顺，振动问题较小。

交流电机中最常见的三种是永磁同步电机、感应异步电机和同步磁阻电机。交流电机的定子基本相同，主要区别在转子。定子主要由铁心、线圈组成；定子铁心由硅钢片叠压而成；漆包线绕制成线圈，嵌入铁心槽内，再进行绝缘处理；将绝缘处理后的铁心套入机壳得到定子。

定子绕组接入交流电源（通常是三相交流电，三相交流电与空间角度120°的线圈相结合，它们的合成磁场就像是一个强度均匀的磁场在旋转），形成旋转磁场，拉动转子旋转。永磁同步电机的转子由铁心、磁钢、轴压装而成，其中磁钢提供电机磁通，对电机性能影响最大，通常由稀土钕铁硼经粉末冶金法制成。

早期的电机中永磁电机非常少见，主要是因为缺乏磁性足够强大的永磁体。1982年，住友特殊金属的佐川真人发现钕磁铁。这种磁铁的磁能积大于钐钴磁铁，是当时全世界磁能积最大的物质。后来，住友特殊金属成功发展粉末冶金法，通用汽车公司成功发展旋喷熔炼法，能够制备钕铁硼磁铁。这种磁铁是现今磁性仅次于绝对零度钬磁铁的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁。优点是高抗退磁性、高性价比，其缺点是温度依赖性比较强，耐腐蚀性能比较弱，需适当涂层或电镀处理。为了提高钕铁硼的耐温性和矫顽力，磁体生产商通常会在配方中加入金属镝，进一步推高了制造成本。

永磁同步电机的转子转速与定子磁场的转速保持同步。它的工作流程是，定子绕组接通交流电，产生定子旋转磁场，永磁体转子磁场受定子旋转磁场感应而跟着旋转，电机旋转、输出动力。

永磁同步电机的主要优势在于，功率密度高、运行效率高、结构简洁紧凑、转矩大且平顺、调速性能好。

1）功率密度高：永磁同步电机的钕铁硼磁性材料具备优秀的磁力性能，在充磁后不用增加外部能量，可构建较强磁场，同时磁场具有永久特点，无需额外电路进行励磁（即给导体通电产生磁场），得以维持较小的体积和较轻的重量。在额定功率下，同样散热条件和绝缘材料的永磁同步电机的功率密度通常比感应异步电机的功率密度大 2 倍以上。

2）运行效率高：受益于转子中的永磁体，永磁同步电机的转子通常无需通电（部分自启动工况或涡流损耗除外），可减少相关的能量损耗，效率较高。

3）结构简洁紧凑：永磁同步驱动电机不设置励磁电源结构以及励磁绕组结构，降低相关结构复杂性，相关构成较为紧密，保证永磁同步驱动电机运转更加具有可靠性。丰田普锐斯搭载的第四代永磁同步电机相较于第三代，定子直径下降了20%，整体结构更紧凑，体积更小。

4）转矩大且平顺：在额定电流范围内，提高电流即可快速提高永磁同步电机的扭矩。此外，三相交流电在定子中形成的旋转磁场也较为稳定，转矩脉动较小。尤其在低速大转矩工况下（对应新能源汽车起步加速阶段），永磁同步电机相较于异步感应电机拥有突出优势。

5）调速性能好：永磁同步电机的电、磁和力的关系相较于感应异步电机更加简单，更易于调速和控制。异步电机的状态方程是四阶的，转子与定子的方程耦合（转子内的电流是由定子磁场旋转产生）；永磁同步电机的状态方程是二阶的，永磁体的磁场是独立存在的，在低速和高速（高于额定转速）的工况下控制难度都显著低于感应异步电机。

永磁同步电机的主要劣势在于弱磁控制问题、反电动势问题、高温振动环境下的退磁问题、自启动问题以及成本问题。

1）弱磁控制问题：根据基础绕组电压公式VRd/ dt  i ，由于电源所能提供的电压 V 有限，在电机转速达到一定水平后，想要继续提高转速，就需要进行弱磁控制，削弱电感。这一过程反映在电机的调速曲线上，就是从恒转矩区进入恒功率区。由于永磁同步电机的转子磁场是由永磁体提供的，弱磁控制就需要消耗额外的电流来反向抵消部分转子磁场，降低了高转速工况下的运行效率，给电源和变频器带来额外负担。

2）反电动势问题：永磁同步电机的转子在高速旋转时，定子线圈对转子中的永磁体磁场做磁感线切割运动，产生感应电动势，而且这种感应电动势的方向与原线圈电压的方向相反，故称反电动势。反电动势会抵消输入定子的驱动电压，造成高速运转时需要给电机输入更高的电压来驱动，高压驱动会造成更大的涡流损耗，引发电机高温，对定子线圈和转子永磁体造成损害。转速越快，效率越低。在高速旋转时，永磁同步电机越来越像一台发电机。

3）高温振动环境下的退磁问题：常用的永磁体钕铁硼虽然性能出色，但是在高温、振动以及强外部磁场的环境下容易发生退磁。除定子绕组通电产生的热量外，永磁同步电机的转子虽然不通电，仍然会由于离心力、涡流损耗等原因发热。涡流损耗是指，导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内感生的电流导致的能量损耗。永磁同步电机的转子转速在理论上与定子磁场的转速一致，但是由于定子齿槽的存在、绕组的空间分布，而且三相绕组中的电流不是标准的正弦波，这些原因导致电机内部磁场畸变，导致气隙磁场中谐波含量很高，电机铁心和永磁体感应出涡流，产生较大的涡流损耗。在永磁同步电机高速旋转时，工作频率高，转速高，齿槽效应引起的谐波频率更高，转子涡流损耗带来的高温问题更加严重。