纯电动车的驱动电机里,藏着哪些秘密?
燃油车时代“三大件”,即底盘、发动机、变速箱。纯电动车时代“三电”成为新的关注点,但“三电”中,往往大家最关心的还是BOM成本占比最大的电池。
诸如电池包的容量、续航里程、三元锂还是磷酸铁锂这些信息。
对于电机,我们往往只需知道功率数值即可,对比燃油车上发动机的地位,电机的关注度可谓直线下降。
(资料图片)
但其实就像燃油车时代,汽车发动机的气缸布局有直列、V型、水平对置的区别,不同的排布决定彼此不同的性能。
在纯电动汽车上,电机也分不同类型,不同的类型也决定彼此不同的性能。
比如我们最常听到的永磁同步电机和交流异步电机,它们都有什么不同呢?
永磁同步电机是我们最常见的电机类型,下到几万块的宏光MINI EV,上到百万级别的保时捷taycan车上都能看到它的出现。
而交流异步电机应用的较少,且目前多搭载的四驱纯电动车的前轴上,为什么这么布置呢?
我们先看下什么是电机?其实电机的诞生时间比内燃机和汽车都要早多了。
在德国人奥古斯特.奥托和卡尔.本茨相继发明第一台四冲程内燃机,以及第一辆汽车之前半个多世纪。
△法拉第1821年实验电机模型
1821年,大名鼎鼎的法拉第就攒出了第一个实验电机的模型,并证明电可以做工,以及于1831年发现了电磁感应现象。
让我们来复习下初中物理:闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,这种现象叫电磁感应现象。
而基于电磁感应原理,尼古拉·特斯拉发明了又三相交流电,可以产生旋转的定子磁场,进而用旋转磁场的方法发明了交流感应电机。
现在新能源汽车上的永磁同步电机和交流异步电机,在结构上就可以简单分为两块。
一个是固定的“定子”,一个是旋转的“转子”,两者的组合如上图。
在电机中,当定子通电即产生一个旋转磁场,旋转磁场将切割定子中的转子,从而使转子产生感应电流。
而产生感应电流的转子本身又在定子旋转磁场中将产生电磁力,进而在电机转轴上形成电磁转矩,从而把电能转换成机械能驱动电动机旋转。
这种通电导体(产生感应电流的转子)在磁场中受力运动的过程中也就是电机的工作原理。
这也基本就是交流异步电机工作原理,即交流异步电机的转子缠绕有大量绕组线圈,产生感应电流进而在磁场中旋转。
所以交流异步电机又被成为交流感应电机。
△交流异步电机
另外交流感应电机为啥还称交流异步电机?是因为线圈绕组的转子和定子的旋转磁场始终存在速度差。
因为两者转速相同后,就不存在转子切割磁感线运动了,那么也就没有感应电流存在了,没有感应电流转子就没了感应磁场,那就转子就不转了。
但是,转子一停,切割磁感线运动又出现了,转子的运动和定子旋转磁场总是差上一步,所以才叫“异步电机”。
永磁同步电机的不同在于,永磁同步电机的转子本身就是永磁体。
它本身已产生固定方向的磁场,所以只要定子通电后,定子的旋转磁场就能一直带着转子旋转,两者一直是保持同步转速,这也是为什么称之为“永磁同步”。
而因为转子和定子旋转磁场始终同步,永磁同步电机电机功率密度、扭矩密度、低速大扭矩输出的响应也都更好,也更易控制,因为只要控制定子的电流频率大小,即可控制转速。
相比起交流异步电机,永磁同步电机也省去中间的转子感应带电进而再产生磁场的过程,还提升了能量转化效率。
交流感应电机的转子感应是通过在转子上线圈绕组产生的,线圈绕组其实会带来电阻损耗。
△永磁同步电机
永磁同步电机转子是永磁体,也没有了线圈绕组也就没有了这部分损耗产生。
另外,永磁同步电机采用永磁体转子,而非线圈绕组感应转子,一般体积也比较小,再加上能量转化效率高在续航表现上的优势。
所以从目前应用上永磁同步电机占比非常高,从入门级到百万级都能看到它的身影。
根据高工产研锂电研究所的数据,永磁同步电机2021年的装车量占比高达94%。
那么永磁同步电机这么好?交流异步电机的优势是什么?
可以说,永磁同步电机的劣势,就是交流异步电机的优势。
首先永磁同步电机中的永磁体需要用到钕铁硼(NdFeB)等稀土原料,虽然中国拥有全球70%以上的易开采稀土资源,但稀土的价格依旧是比较贵的。
这也是为什么一直在降本的特斯拉,宣称下一代电机将完全不使用稀土材料。
而在永磁同步电机中,永磁体要占整个电机成本的一半左右,相比之下用不到永磁体做转子的交流异步电机成本就低很多。
此外,永磁同步电机还存在一个问题,高速状态下电机需要进行弱磁控制,也就是生成一个逆向磁场来削弱永磁体的磁场,这会降低电机高速效率。
而交流异步电机,转子磁场是感应产生的,所以减少电流输入即可。
另外,永磁体还易受高温影响,因为高温会不可逆的消磁。
所以在电机高转速、高负载情况下,永磁同步电机相比交流异步电机就没了优势了。
这是正是为什么多数只采用永磁同步电机的纯电动车,极速性能往往限制在180km/h左右。
保时捷taycan虽然采用前后永磁同步电机,极速也超过200km/h,但其是通过一台放置于后轴的2挡变速箱来解这个问题。
而类似于蔚来ET5、7,特斯拉Model 3等四驱版本,电机通常则是后永磁同步+前交流异步电机的方案。
这种方案既能保证低速状态下的动力响应、能耗等,也能保证高速性能。
除了永磁同步电机和交流异步电机,现在还有一些厂家使用励磁电机,这又有什么不同?
其实励磁电机的核心是用电励磁线圈代替了永磁铁,和交流异步电机中感应带电的转子线圈绕组。
而通过直接调整线圈的电流就可以改变磁场强度,相当于功率输出与励磁电流直接相关,根据运行工况提供合适的励磁即可。
励磁电机对于电机功率输出控制也更为线性,低速性能优异,高转速下也可以做到稳定、持续的功率以及扭矩输出。
△励磁电机结构
此前体验过搭载励磁电机的纯电动车,确实高速状态下依旧也能感受到非常充沛的动力输出,让人快感不减。
不过,励磁电机听起来似乎比永磁同步电机和交流异步电机都要好。
但励磁电机需要一个滑环碳刷装置将励磁电流引入,也就是电刷,这一装置又会磨损产生粉尘对电机有影响。
而目前用励磁电机的有日产和宝马,即日产艾睿亚和宝马i3、i4产品上。
宝马 iX M60是最早应用这一技术的,搭载前后双励磁同步电机的BMW iX M60最高时速250公里/小时,运动模式下峰值扭矩可以达到1015牛·米。
此前宝马也宣称其励磁电机采用耐磨电刷,为自研的加工技术与石墨复合材料打造有更久的寿命,但实际如何也要看最终表现。
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