電機,作爲電動汽車的主要動力源,其性能的優良直接決定了一輛電動車動力性能以及續航能力的表現。現階段在售新能源車所采用的電機種類無外乎兩種:永磁同步電機和感應異步電機。這兩種技術有何區別?爲何特斯拉Model 3、蔚來這樣的高端電動車,都是兩種電機一前一後排列呢?
「電機和電機之間有啥不同?」
我們初中就學過,所謂電機,指的是依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。簡單來說,就是利用電生磁,然後再利磁場同性相斥,異性相吸的原理産生動力。
在通電時,電流會沿著線圈的纏繞方向進行傳導。同時,根據“電生磁”原理便直接産生了相應的磁場。根據“同性相斥,異性相吸”原理與定子上的永磁體“相反”,由此轉子便開始産生動力並開始旋轉。
而應用在電動汽車上的永磁同步電機,結構卻有些不同。電動車上所應用的電機結構恰恰相反,其轉子采用永磁體的形式,而定子則采用銅線纏繞的形式。而提供動力的原理則與一般電機相同,定子通電産生旋轉磁場,永磁體轉子則自帶磁場,同理産生動力。
另外一種電機,則是感應異步電機。其本質電能轉化爲動能的原理依舊相同,只不過感應電機內並不存在永磁體。另外一點不同是,感應電機是定子通電産生一個旋轉磁場並與轉子繞組形成相對運動。轉子繞組切割磁感線産生感應電動勢,從而使轉子繞組中産生感應電流。轉子繞組中的感應電流與磁場作用,産生電磁轉矩,使轉子旋轉産生動力。
而“異步”所蘊含的意思則是,在交流異步電機中,轉子的速度始終是在“追趕”定子旋轉磁場的速度。同時,轉子爲了能夠切割磁感線産生電流,所以轉子的轉速需要一直比定子旋轉磁場的轉速慢。因爲二者爲異步運行,故稱其爲異步電機。
簡單來說,永磁同步電機的定子形成的旋轉磁場就好比是自帶動力的主動齒輪,而轉子則是齧合在一起的從動齒輪,兩者之間的關系有些類似于硬連接。而感應異步電機則類似于風車。定子形成的旋轉磁場就相當于風,轉子則相當于風車的葉片,風吹向葉片使葉片運轉從而産生動力。
再結合首席出行官的“靈魂畫作”,簡單的道理你已經懂了吧。
「兩種電機“各有所長”」
其實,目前包括特斯拉Model 3在內的高端電動車的動力系統,都選擇了搭載雙形式電機的動力解決方案,即“前永磁,後感應”的雙電機配置。這樣的混搭其實就直接表明了兩種電機形式擅長的“技能點”不同:永磁電機能保證更長的續航能力,感應電機則能保證更強的性能表現。
不過除了這個衆所周知的特點,兩種電機還有什麽區別呢?
首先,在效率上,永磁同步電機的效率更高。因轉子材質本身爲永磁體,只需給定子通電形成旋轉磁場便可以直接帶動轉子運轉。所謂同步電機,定子旋轉磁場每旋轉一圈,轉子也會旋轉一圈。這其中理論上不存在轉子電阻和磁滯損耗,顯然效率最優。而感應異步電機的轉子需要産生感應電流,這本身存在無功功率,且運轉速度始終慢于定子的旋轉磁場,故效率會低于永磁同步電機。
也正是因爲其不同的工作特性,感應異步電機的電耗會高于永磁同步電機。這也就解答了蔚來ES8,奧迪e-tron以及奔馳EQC等雙感應電機的電耗更高,續航能力更差的主要原因。
這裏插播一個問題,老款特斯拉在采用同樣的雙感應電機爲何續航要強于上述車型呢?第一,老款特斯拉無論Model S和Model X本身的實際續航能力其實並非很強;第二,特斯拉因其在電控及電池的技術優化的更好,綜合效率更高,所以其續航能力會略強于其他車型。在本質,特斯拉所采用的感應電機同樣有著高電耗的事實,所以最新款的特斯拉車型均更換爲永磁+感應電機的混合動力搭配。
不過,在電機穩定性上,感應異步電機表現更佳。因爲永磁同步電機本身自帶永磁體,所以其必然會面對“高溫退磁”的情況,長時間高負荷運行會導致電機內部溫度過高,進而導致永磁體磁性下降甚至是消磁。相比之下,感應異步電機則無須擔心退磁現象的發生。
要知道,制造永磁體所需的钕鐵硼永磁材料是稀土資源,其購入成本自然會高于感應電機。尤其對于稀土資源缺少或稀土工業不發達的國家而言,進口稀土資源無疑直接導致了電機成本的增加。
但在我國的情況卻有所不同,中國擁有全球70%的稀土資源,钕鐵硼磁性材料的總産量達到全球的80%,所以國內供應商生産永磁同步電機的成本會更低。不過,我國已經將稀土列爲戰略物資並限制出口,這也致使國際稀土價格進一步提高,讓國外永磁同步電機供應商的成本增加。
「未來很長一段時間,“感應+永磁”還會是行業標配」
其實並不存在孰強孰弱的關系,兩種電機擁有著各自不同的特性。車企在選用兩種電機的時候也會根據不同定位及需求,選用不同的電機類型。例如,國內中低端電動車均選用永磁同步電機,其根本原因就是其效率更高,電耗更小,進而實現更長的續航裏程。而偏高端電動車則更樂意選用感應異步電機,來滿足更強的動力性能。
當然,隨著永磁同步電機的技術發展,如今這類電機的動力性能在有了明顯提升的同時。但是,感應電機無論在性能還是成本上都還擁有不少的優勢。所以,如今的高端電動車都選用了永磁+感應的“混搭配方”。


