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永磁同步電機(jī)為啥成為主要的驅(qū)動電機(jī)?

2024-09-06(87)次瀏覽

電動機(jī)可以使電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,并通過傳動系統(tǒng)將機(jī)械類傳遞到車輪驅(qū)動汽車行駛,是新能源汽車核心驅(qū)動系統(tǒng)之一。目前新能源汽車常用的驅(qū)動電機(jī)主要是永磁同步電機(jī)及交流異步電機(jī)兩類,大多數(shù)新能源汽車采用的是永磁...

電動機(jī)可以使電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,并通過傳動系統(tǒng)將機(jī)械類傳遞到車輪驅(qū)動汽車行駛,是新能源汽車核心驅(qū)動系統(tǒng)之一。目前新能源汽車常用的驅(qū)動電機(jī)主要是永磁同步電機(jī)及交流異步電機(jī)兩類,大多數(shù)新能源汽車采用的是永磁同步電機(jī),代表車企包括比亞迪、理想汽車等,部分車輛采用了交流異步電機(jī),代表車企有特斯拉、奔馳等。


異步電動機(jī)主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成,當(dāng)定子繞組接通交流電源時(shí),轉(zhuǎn)子就會旋轉(zhuǎn)并輸出動力。其主要原理是定子繞組通電(交流電)后會形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電磁場,而轉(zhuǎn)子繞組是一個(gè)閉合導(dǎo)體,在定子旋轉(zhuǎn)磁場中不停切割定子的磁感應(yīng)線。根據(jù)法拉第定律,閉合導(dǎo)體切割磁感線會產(chǎn)生電流,而電流會產(chǎn)生一個(gè)電磁場,此時(shí)就有了兩個(gè)電磁場:一個(gè)是接通外部交流電的定子電磁場,另外一個(gè)是切割定子電磁感應(yīng)線產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電磁場。而根據(jù)楞次定律,感應(yīng)電流總要反抗引起感應(yīng)電流的原因,也就是盡力使轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體不再切割定子旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)線,這樣的結(jié)果就是:轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體會“追趕”定子的旋轉(zhuǎn)電磁場,也就是使轉(zhuǎn)子追著定子旋轉(zhuǎn)磁場跑,最終使電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn),在過程中,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度(n2)和定子旋轉(zhuǎn)速度(n1)轉(zhuǎn)速不同步(轉(zhuǎn)速差 2-6%左右),因此稱之為異步交流電機(jī),反之如果轉(zhuǎn)速相同,則稱之為同步電機(jī)。


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永磁同步電機(jī)也屬于交流電機(jī)一種,其轉(zhuǎn)子由具有永久磁體的鋼制成,電機(jī)工作時(shí)給定子通電,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,“同步”的意思是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與磁場的旋轉(zhuǎn)速度同步。永磁同步電動機(jī)具有較高的功率質(zhì)量比,體積更小,質(zhì)量更輕,輸出轉(zhuǎn)矩更大,電動機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動性能也比較優(yōu)異,因此永磁同步電動機(jī)已成為現(xiàn)今電動汽車應(yīng)用最多的電動機(jī)。但永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時(shí),其導(dǎo)磁性能可能會下降,或發(fā)生退磁現(xiàn)象,有可能降低永磁電動機(jī)的性能。另外,稀土式永磁同步電動機(jī)要用到稀土材料,制造成本不太穩(wěn)定。


永磁同步電機(jī)相比,異步電機(jī)工作時(shí)需要吸收電能勵(lì)磁,這部分會損耗電能,使得電機(jī)的效率降低,而永磁電機(jī)由于加入永磁體,成本較高。


選擇交流異步電機(jī)的車型會傾向于性能優(yōu)先,利用交流異步電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下的性能輸出和效率優(yōu)勢,代表車型就是早期的 Model S。主要特點(diǎn):當(dāng)汽車處于高速行駛時(shí),能夠保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)和高效的電能使用效率,在保持最大動力輸出的同時(shí),減少能耗;


選擇永磁同步電機(jī)的車型則傾向于能耗優(yōu)先,利用永磁同步電機(jī)在低速階段的性能輸出和高效運(yùn)轉(zhuǎn),適用于中小型車。特點(diǎn)就是體積小、重量輕,可以增加續(xù)航。同時(shí)它調(diào)速性能好,在面對反復(fù)啟停、加減速時(shí),能保持較高效率。


永磁同步電機(jī)占主導(dǎo)地位。高工產(chǎn)業(yè)研究院(GGII)依據(jù)發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈月度數(shù)據(jù)庫》統(tǒng)計(jì)顯示,2022 年 1-8 月份國內(nèi)新能源汽車驅(qū)動電機(jī)裝機(jī)約 347.8 萬套,同比增長 101%。其中,永磁同步電機(jī)裝機(jī) 332.9 萬套,同比增長 106%;交流異步電機(jī)裝機(jī) 129.5 萬套,同比增長 22%。


永磁同步電機(jī)成為純電動乘用車市場的主要驅(qū)動電機(jī)。


從國內(nèi)外主流車型電機(jī)選擇來看,國內(nèi)的上海汽車、吉利汽車、廣州汽車、北京汽車、騰勢汽車等推出的新能源汽車均使用永磁同步電機(jī)。國內(nèi)主要使用永磁同步電機(jī),一是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)低速性能好、轉(zhuǎn)化效率高,非常適合城市交通頻繁啟停的復(fù)雜工況,二來是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)中的釹鐵硼永磁材料需要使用稀土資源,而我國擁有全球 70%的稀土資源,釹鐵硼磁性材料的總產(chǎn)量達(dá)到全球的 80%,所以中國更熱衷于使用永磁同步電機(jī)。


國外的特斯拉和寶馬則是永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)協(xié)同發(fā)展。從應(yīng)用結(jié)構(gòu)來看,永磁同步電機(jī)是新能源汽車的主流選擇。


永磁同步電機(jī)成本中,永磁材料成本約 30%。永磁同步電機(jī)的制造原材料主要有釹鐵硼、硅鋼片、銅和鋁等,其中永磁材料釹鐵硼主要用于制造轉(zhuǎn)子永磁體,成本構(gòu)成在 30%左右;硅鋼片主要用于制作定轉(zhuǎn)子鐵芯,成本構(gòu)成在 20%左右;定子繞組成本構(gòu)成在 15%左右;電機(jī)軸成本構(gòu)成在 5%左右;電機(jī)殼成本構(gòu)成在 15%左右。


為什么永磁電機(jī)的效率會更高?

永磁同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和殼體部件構(gòu)成。與普通交流電機(jī)一樣,定子鐵芯為疊片結(jié)構(gòu),以減小電動機(jī)運(yùn)行時(shí)因渦流和磁滯效應(yīng)鐵耗;繞組通常也為三相對稱結(jié)構(gòu),只是參數(shù)選取有較大區(qū)別。轉(zhuǎn)子部分則形式多樣,有帶啟動鼠籠的永磁轉(zhuǎn)子,也有內(nèi)嵌式或表貼式純永磁轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子鐵芯可以制成實(shí)心結(jié)構(gòu),也可以疊片而成。轉(zhuǎn)子上裝有永磁體材料,大家習(xí)慣上稱之為磁鋼。


永磁電機(jī)正常工作下,轉(zhuǎn)子與定子磁場處于同步狀態(tài),轉(zhuǎn)子部分沒有感應(yīng)電流,無轉(zhuǎn)子銅耗和磁滯、渦流損耗,不需要考慮轉(zhuǎn)子損耗發(fā)熱問題。一般永磁電機(jī)為專用變頻器供電,天然具有軟啟動功能。另外,永磁電機(jī)屬于同步電機(jī),具有同步電機(jī)通過勵(lì)磁強(qiáng)弱調(diào)節(jié)功率因數(shù)的特點(diǎn),因而功率因數(shù)可以設(shè)計(jì)到規(guī)定數(shù)值。


從起動角度分析,緣于永磁電機(jī)由變頻電源或配套變頻器起動的實(shí)際,永磁電機(jī)的起動過程實(shí)現(xiàn)很容易;與變頻電機(jī)的起動相似,規(guī)避了普通籠型異步電機(jī)的起動缺陷。


總之,永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)可以達(dá)到很高,結(jié)構(gòu)非常簡單,近十幾年來市場十分火爆。


但是,失磁故障是永磁電機(jī)不可回避的問題,當(dāng)電流過大或溫度過高時(shí),會導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度瞬間不斷攀升、電流急劇增大,永磁體迅速失磁。在永磁電機(jī)控制中,設(shè)定了過電流保護(hù)裝置,避免了電機(jī)定子繞組被燒毀的問題,但由此而導(dǎo)致的失磁和設(shè)備停運(yùn)不可避免。