侃技术｜只要3分钟 看懂世纪心脏 —电动车之稀土永磁电机

  前段时间，特斯拉Model 3首批车交付车主，电动汽车再次成为人类关注的焦点。电动车使用电能驱动汽车前进，在这样的一个过程中不会产生有害化学气体，所以成为代替传统燃油车最有潜力的对象，但是你知道吗？电动车动力总成和传统的内燃车完全不同，动力系统不是发动机、离合器、变速器、差速器等组成。而是由储存电能的储能机构（ESS），将能量输出给转换器和功率控制模块（PEM），经过控制传感器感知驾驶员操作需求和路况来驱动执行电机（马达），三个环节组成，电动车由于其动力系统复杂精确，所以更像是电子设备。在驱动马达这个环节目前小型轿车上以特斯拉为主的交流异步电机和BYD的稀土永磁电机最具代表的两种，今天侃弟就简单的给大家带来一些稀土永磁电机的知识。

  早在19世纪20年代就出现了世界上第一台电机，而这台电机的转子部分就是永磁体，用来产生励磁磁场。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的电机体积非常庞大，不久被电励磁电机所取代。随技术的发展对于永磁体材料的选择也有过很多种，这其中最优异的莫过于稀土材料了，所以将采用稀土永磁材料的电机又叫做稀土永磁电机。

  一般来说，永磁同步电机的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，而主要是区别于转子的独特结构与其它电机形成了差别。和特斯拉使用的交流感应异步电机的最大不同则是在转子上放有高质量的永磁体磁极（稀土）。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式。

  而他们的工作原理大致相同，在固定电动机定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转。

  永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。

  由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行的成本的节省来补偿。因此永磁电机适于小功率的场合。

  稀土永磁电机对于工作环境要求比较苛刻，超过180℃的稀土永磁材料将出现不可逆的退磁和失效情况;在剧烈振动或温差较大的情况下有可能会出现断裂;材料容易氧化腐蚀，一定要进行表面涂装才能用;稀土永磁电机对于过载十分敏感，一旦过载将导致永磁材料的退磁。

  同时，稀土永磁电机的电磁负荷很高，制成后磁场难以调节，其动力控制系统要比感应电机复杂得多。传统的电机设计理论、计算方式、电机控制管理系统都不能适应高性能电机的研制要求。

  总而言之，在稀土永磁电机研发的路上，困难重重。但是不经历风雨怎么见到彩虹，而在空难面前汽车工程师们孜孜不倦的努力最终也将突破瓶颈，大众也能受益科技带来的便利。

  新能源汽车的驱动电机主要有永磁同步、交流异步和开关磁阻三大类。因其不同特点，各有应用场合。

  按照原理上可以做倒，体积小、质量轻，功率密度大，可靠性高，调速精度高，响应速度快，由于永磁同步电机功率密度高，其工作效率最高可达97%，能够为车辆输出最大的动力及加速度，因此主要用在对能量体积比要求最高的新能源乘用车上。

  缺点是上限功率较低，而且成本比较高。交流异步电机价格低、运行可靠；但其功率密度低、控制复杂、调速范围小是固有限制。价格上的优势使得其在新能源客车中使用的较广泛。

  能忍受大幅度的工作时候的温度变化。而相反温度大幅度变化会损坏永磁电动机，感应电动机的输出扭矩可以在大范围内调整，不需要撒热机构，重量轻，类似西瓜大小，重量不过52公斤。转速区间能够达到0—12000转，所以无需安装多余的传动机构。所以其车身的重量在新能源汽车中占有绝大的优势。

  缺点是转子旋转速度难以控制，能耗较大，功率因数滞后，结构较为复杂、采用感应（异步）电机，其控制管理系统复杂技术方面的要求高，制造成本高。

  价格低、电路简单可靠、调速范围宽；但震动、噪声大，控制管理系统复杂，且对直流电源会产生很大的脉冲电流。用于大型客车，比如比亚迪电动车。

  其中， 日韩车系目前多采用永磁电机，转速区间和效率相对都较高，但要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼；欧美车系则多采用交流感应电机，根本原因是对于稀土资源匮乏，以及降低电机成本考虑，其劣势则主要是转速区间小，效率低，需要性能更高的调速器以匹配性能。

  假使电动汽车电池的续航能力相同，不同电机消耗的能耗就直接决定了电动车的续航能力，因此， 电动汽车的动力系统、负载大小、技术性能和工作环境都有严格要求。而驱动电动车的电机的发展要求也是朝着轻量化、低成本，适应有限的车内空间，同时要具有能量回馈能力，降低整车能耗；其次，驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩，以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能，电控系统要有高控制精度、高动态响应速率，并同时提供高安全性和可靠性。

  实现这些要求，一步一步提升电动汽车实用性，需要更高的技术水准和制造水平，但是目前我们的祖国在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池部分，电机电控核心组件如 IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力，具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。

  看着特斯拉的成就，侃弟更希望我们的祖国在马上就要来临的电动汽车时代，能够闪耀世界。

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